【Linux 学习指南】网络基础概念（一）：从协议到分层，看透计算机通信的底层逻辑

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📝计算机网络背景

🌉网络发展

1. 独立模式:计算机之间相互独立;
   
2. 网络互联:多台计算机连接在一起,完成数据共享;
   
3. 局域网LAN:计算机数量更多了,通过交换机和路由器连接在一起;
   
4. 广域网WAN:将远隔千里的计算机都连在一起;
   
   所谓"局域网"和"广域网"只是一个相对的概念.比如,我们有"天朝特色"的广域网,也可以看做一个比较大的局域网.

注：计算机是人的工具，人要协同工作，注定了网络的产生是必然的.

🌠 初识协议

1. "协议"是一种约定.
2. 打电话约定电话铃响的次数的约定
   
   计算机之间的传输媒介是光信号和电信号.通过"频率"和"强弱"来表示0和1这样的信息.要想传递各种不同的信息,就需要约定好双方的数据格式.

思考:只要通信的两台主机,约定好协议就可以了么?

• 定好协议，但是你用频率表示01，我用强弱表示01，就好比我用中国话，你
  用葡萄牙语一样，虽然大家可能遵守的一套通信规则，但是语言不同，即是订好了基本的协议，也是无法正常通信的

所以，完善的协议，需要更多更细致的规定，并让参与的人都要遵守。

• 计算机生产厂商有很多;
• 计算机操作系统,也有很多;
• 计算机网络硬件设备,还是有很多;
• 如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信?就需要有人站出来, 约定一个共同的标准,大家都来遵守,这就是网络协议

一般具有定制协议或者标准的资格的组织或者公司都必须是业界公认或者具有江湖地位的组织或者公司，下面是文心一言生成的标准制定组织，大家看一下就可:

问：能定制协议标准的组织或者公司
答：能定制协议标准的组织和公司有很多，以下是一些常见的介绍：

• 国际组织：
  • 国际标准化组织（ISO）：是世界上最大的非政府性标准化专门机构，其宗旨是在世界范围内促进标准化工作的发展。ISO标准的内容涉及广泛，技术领域涵盖信息技术、交通运输、农业等，制定了如开放系统互联（OSI）系列、ISO9000质量管理系列标准等。
  • 国际电信联盟（ITU）：是联合国机构，分为ITU - R（负责无线通信）、ITU - D（发展部门）、ITU - T（负责电信）三个部门，已制定了许多网络和电话通信方面的标准，其制定的标准被称为“建议书”。
  • 电气与电子工程师协会（IEEE）：是世界上最大的专业技术团体，由计算机和工程学专业人士组成。IEEE在通信领域著名的研究成果是802标准，定义了总线网络和环形网络等的通信协议，如IEEE802.3以太网标准等。
  • 互联网工程任务组（IETF）：是全球互联网最具权威的技术标准化组织，主要任务是负责互联网相关技术规范的研发和制定，当前绝大多数国际互联网技术标准出自IETF。例如新一代互联网基础协议SRv6的核心标准RFC9800就是由IETF发布的。
• 国内组织：
  • 中国标准化协会（CAS）：是由全国从事标准化工作的组织和个人自愿参与构成的全国性法人社会团体，可开展标准制、修订，标准化培训，技术交流等业务。
  • 粤港澳大湾区标准创新联盟：由粤港澳地区从事标准化事业的社会团体、企事业单位以及高等院校等共同发起创立，汇聚各方力量联合开展国际标准与湾区团体标准的研发制定工作。
• 公司：一些大型科技公司或行业领军企业也会参与或主导协议标准的定制。例如中国移动在新一代互联网基础协议SRv6标准制定中发挥了核心作用，其原创的G - SRv6压缩帧头技术被RFC9800采纳。此外，思科、华为、Juniper、中兴等全球主流芯片和设备提供商，也会积极参与相关协议标准的制定，以确保其产品符合行业标准或推动有利于自身技术路线的标准形成。

🌉协议分层

协议本质也是软件，在设计上为了更好的进行模块化，解耦合，也是被设计成为层状结构的

🌉软件分层的好处

• 在这个例子中,我们的"协议"只有两层:语言层、通信设备层。
• 但是实际的网络通信协议，设计的会更加复杂,需要分更多的层
• 但是通过上面的简单例子，我们是能理解，分层可以实现解耦合，让软件维护的成本更低

🌉OSI 七层模型

• OSI（OpenSystemInterconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范;
• 把网络从逻辑上分为了7层.每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机;
• OSI七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输;
• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整.通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯;
• 但是,它既复杂又不实用;所以我们按照TCP/IP四层模型来讲解.
• 
  
  其实在网络角度，OSI定的协议7层模型其实非常完善，但是在实际操作的过程中，会话层、表示层是不可能接入到操作系统中的，所以在工程实践中，最终落地的是5层协议。

但是要理解上面的话，需要我们学习完网络才可以理解，这里就知道就可以。

🌉TCP/IP 五层(或四层)模型

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇.
TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完
成自己的需求.

• 物理层:负责光/电信号的传递方式.比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤,现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等.集线器(Hub)工作在物理层.
• 数据链路层:负责设备之间的数据帧的传送和识别.例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作.有以太网、令牌环网,无线LAN等标准.交换机(Switch)工作在数据链路层
• 网络层:负责地址管理和路由选择.例如在IP协议中,通过IP地址来标识一台主机,并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由).路由器(Router)工作在网路层.
• 传输层:负责两台主机之间的数据传输.如传输控制协议(TCP),能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机
• 应用层:负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等.我们的网络编程主要就是针对应用层.
  

物理层我们考虑的比较少，我们只考虑软件相关的内容.因此很多时候我们直接称为
TCP/IP四层模型.

一般而言

• 对于一台主机,它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;
• 对于一台路由器,它实现了从网络层到物理层;
• 对于一台交换机,它实现了从数据链路层到物理层;
• 对于集线器,它只实现了物理层;

但是并不绝对.很多交换机也实现了网络层的转发;很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发);

🌠再识协议

上面的内容，我们只是懂了一些基本概念，还是达不到我们的目标，下面我们再次重新理解协议和协议分层。

🌉为什么要有TCP/IP协议？

首先，即便是单机，你的计算机内部，其实都是存在协议的，比如：其他设备和内存通信，会有内存协议。其他设备和磁盘通信，会有磁盘相关的协议，比如：SATA，IDE，SCSI等。只不过我们感知不到罢了。而且这些协议都在本地主机各自的硬件中，通信的成本、问题比较少。

其次，网络通信最大的特点就是主机之间变远了。任何通信特征的变化，一定会带来新的问题，有问题就得解决问题，所以需要新的协议咯。

所以，为什么要有TCP/IP协议？本质就是通信主机距离变远了

🌉什么是TCP/IP协议？

TCP/IP协议的本质是一种解决方案
TCP/IP协议能分层，前提是因为问题们本身能分层

`为什么说“问题本身能分层，才有TCP/IP的分层”？

计算机网络通信的问题可以拆解为多个独立且有序的子问题，例如：

• 底层物理设备如何传输原始数据（如电信号、光信号）？
• 数据如何在不同网络之间“路由”找到目标设备？
• 如何确保数据完整、不丢失、按顺序到达？
• 应用程序（如浏览器、邮件客户端）如何解析和使用数据？

这些问题天然存在逻辑上的先后顺序和层级关系（底层问题是上层问题的基础），因此TCP/IP协议按照“分层”思路，将复杂的通信流程拆解为4层（或5层，不同模型划分略有差异），每层专注解决一个层面的问题，层与层之间通过标准化接口协作。

TCP/IP协议的分层结构（4层模型）

1. 网络接口层（链路层）

• 解决的问题：负责原始数据在物理网络中的传输，处理与硬件相关的细节。
• 核心协议/技术：以太网协议（Ethernet）、Wi-Fi协议、PPP协议（点对点协议）等。
• 作用：将上层的IP数据包封装成适合物理介质（如网线、无线信号）传输的帧（Frame），并处理数据的物理传输、MAC地址识别（设备的硬件地址）等。

2. 网络层（网际层）

• 解决的问题：实现不同网络之间的数据“路由”，即找到数据从源设备到目标设备的最佳路径。
• 核心协议：IP协议（Internet Protocol，互联网协议）。
• 作用：给数据包分配唯一的IP地址（如IPv4的192.168.1.1），通过路由算法选择传输路径，将数据包从一个网络转发到另一个网络。这一层是实现“互联网”（多个网络互联）的关键。

3. 传输层

• 解决的问题：确保数据在源设备和目标设备之间“可靠传输”（或高效传输）。
• 核心协议：
  • TCP（传输控制协议）：提供可靠传输，通过三次握手建立连接、确认机制（确保数据不丢失）、重传机制（修复丢失数据）、流量控制（避免数据拥堵）等，保证数据按顺序、完整到达，适用于对可靠性要求高的场景（如网页加载、文件传输）。
  • UDP（用户数据报协议）：提供无连接、不可靠传输，不保证数据顺序和完整性，但传输速度快，适用于实时性要求高的场景（如视频通话、游戏）。

4. 应用层

• 解决的问题：为特定应用程序提供数据交互规则，让用户直接使用网络服务。
• 核心协议：HTTP（网页传输）、HTTPS（加密的网页传输）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、DNS（域名解析，将“www.baidu.com”转换为IP地址）等。
• 作用：应用程序通过这些协议，将用户的操作（如打开网页、发邮件）转化为可在网络中传输的数据格式。

分层的优势

• 简化问题：每层只关注自身职责，降低了整体设计的复杂度（例如开发应用层协议时，无需关心底层如何传输电信号）。
• 灵活性：某一层的技术升级（如从IPv4到IPv6）不会影响其他层，只需保持层间接口不变。
• 标准化：分层接口的标准化，使得不同厂商的设备（如华为的路由器、苹果的手机）能遵循同一套规则通信。

🌉 TCP/IP 协议与操作系统的关系(宏观上，怎么实现的)

🌉所以究竟什么是协议？

截止到目前，我们还没接触过任何协议，但是如何朴素的理解协议，我们已经可以试试了。
OS源代码一般都是用C/C++语言写的。
下面，仔细看看下面的图

问题：主机B能识别data，并且准确提取a=10，b=20，c=30吗？

回答：答案是肯定的！因为双方都有同样的结构体类型structprotocol。也就是说，
用同样的代码实现协议，用同样的自定义数据类型，天然就具有”共识“，能够识别
对方发来的数据，这不就是约定吗？
关于协议的朴素理解：所谓协议，就是通信双方都认识的结构化的数据类型
因为协议栈是分层的，所以，每层都有双方都有协议，同层之间，互相可以认识对
方的协议。
• 网络购物，快递单的例子

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🚩总结