我以前未曾撰寫過關于網絡的博客文章，因此這篇文章中的知識不會特別深入，僅對網絡相關的一些術語和概念進行簡單介紹，并闡述它們與系統之間的基本聯系，至于對網絡的深入探討，將在后續的博客中詳細論述。掌握了這些術語和概念，就能初步學習編寫一些網絡相關的代碼，讓大家簡單體驗一下編程過程，能夠實現一些基礎的客戶端與服務器之間的通信功能即可。

正式開始

本篇重點講解：

一些基礎知識 發展背景

這段背景信息可以簡單說明一下，對于初學者來說，大致了解還是有幫助的。

計算機出現在前，網絡緊隨其后。最早的計算機是埃尼阿克，具體信息可自行查詢，這里不再贅述。

起初，計算機都是獨立使用的，多個計算機之間沒有聯系：

后來，多臺計算機可以連接在同一個服務器上：

個人完成信息整理后能夠提交給主機，隨后其他成員可以從主機中獲取資料進行后續操作，操作結束后還可以將結果再次傳輸回去。

此處已屬局域范疇，譬如昔時部分研究機構，眾多機器均接入統一服務器運行，諸如貝爾研究所、伯克利大學、麻省理工學院的設施等。

但假如兩個研究機構存在一項聯合任務，必須對某些資料進行加工，便能讓兩個內部網絡借助一臺網關設備實現互聯，達成信息交換的目的。通過這種方式，不同的內部網絡便能夠建立起聯系：

關于圖中涉及的那些網絡設備，例如交換機、路由器等，待會兒再稍作介紹，等后面深入講解網絡知識時再詳細闡述，現階段這篇文章僅是進行基礎的普及說明。

再來說廣域網，就是將遠隔千里的計算機都連在一起：

可能各位的學校教材上還會有城域網的說法。

這個概念需要說明一下，所謂“局域網”、“城域網”、“廣域網”，它們之間僅僅存在范圍大小的區別，關鍵在于連接到網絡中的設備數量不一樣，從不同角度觀察同一個網絡，得出的分類結果也會有所不同。以你們村子的角度出發，你們家能夠視為一個局域網，而整個村子的網絡則可以看作是廣域網；然而從整個市或者整個省的角度出發，你們村子又可以視為一個局域網網絡培訓學校，而整個城市才是一個廣域網。

因此，關于廣域網的各種概念，為了在學術上有所區別，但在技術層面，它們都是些相對性的東西，不過在此講解時還是需要提及一番。

運營商和生產商

我們生活中的這些網絡是由誰建設和維護的呢？

答案是運營商，像移動、聯通、電信啥的。

另有一個與通信服務商聯系極為緊密的，稱為設備制造商，這個角色承擔著硬件層面的保障，諸如華為、諾基亞等企業專注于通信裝置的制造。

缺少這兩個角色，大家便無法訪問手機上的B站、淘寶等應用程序，如果沒有這兩個角色作為前提，那么任何APP都不可能存在，如果其中一方未能妥善履行職責，就會引發故障，例如網絡培訓學校，倘若運營商未能有效維護網絡，導致網速遲緩，大家在瀏覽CSDN時將異常卡頓，頁面長時間無法加載出來，這種情況令人非常困擾，最終將導致用戶數量下降。

協議

網絡中一個很重要的東西叫做協議。

啥是協議呢？

像我們買車 / 買房 / 工作的時候簽合同，這就算是協議。

在我們網絡體系里，協議是軟硬件必須遵循的一種規則，它規定了信息在網絡中如何傳遞和交流。

不清楚你是否看過姜文執導的電影《讓子彈飛》，影片中有一個情節是張麻子等人去進行所謂的“剿匪”，他們通過發出不同的哨聲來傳遞信息，這種方式其實是一種聯絡手段。要想達成這樣的聯絡，必須讓張麻子手下所有人都能識別出各種哨聲所蘊含的特定信息，同時也要掌握吹出具有不同意義哨聲的方法。

如果發出兩個短音，就代表全體進攻的指令，這個是我編造的，要是吹響兩個長音，就表示需要撤退，這也是我虛構的，這兩個短音和兩個長音的信號，必須讓整個團隊都牢牢記住，不同的音調對應著不同的行動，這就是利用哨子進行聯絡的規則。

來分析一下為什么要這么做？

減少成本。

長句如果太長，在戰斗時需要大聲呼喊，否則隊友可能聽不見，但長時間呼喊容易暴露位置，敵人或許會察覺，存在風險，萬一在說話前沒喘好氣中途換氣，換氣時有個隊友以為你講完了，并且誤解了你的意圖，直接沖出去，這豈不是會導致信息不同步的問題，那個隊友豈不是性命難保。而借助簡短的號音來傳遞信息，隊友可以迅速明白需要執行的任務，同時自身也不易被察覺，因此協議的制定能夠使雙方聯絡更為順暢。

只要通信的兩臺主機, 約定好協議就可以了么?

不是這樣，即便兩臺主機事先商定了通信規則，也可能無法互通信息。計算機的制造廠家數量龐大，計算機的運作系統種類繁多，計算機網絡硬件設備同樣五花八門，怎樣確保這些不同廠家制造的計算機能夠順利交流？這就需要有人出面，制定一個通用的軟硬件規范，讓所有參與者都遵循，這就是網絡協議。

這就好比不同地域的人溝通，比如一個廣東人與一個西藏人對話，前者說著客家方言，后者說著藏語，盡管雙方意圖相同，但表達方式差異顯著，語言完全不同。雖然他們都是中國人，彼此卻無法聽懂對方的講話。

協議的分層

說幾點：

協議類型多樣，操作系統同樣需要協議管理，內核層面其核心表現為大量數據結構，因此操作系統必須先定義協議再進行構建。（理解與否無關緊要，記住即可）協議在構建時，遵循層級結構原則。何謂層級結構呢？例如在C++的繼承機制里，基礎類、派生類、以及更下一級的類等等，后續的層級不再贅述，整個繼承結構中的各個層級都可以看作是不同的層級。

先不論協議具體劃分了多少部分，先談談實際應用中分層的優勢。

比如說兩個人打電話：

從一般人的角度看，打電話就是雙方直接對話，但技術人員認為情況并非如此簡單。比如圖中展示的AC通話過程，A方先與自己的電話設備互動，接著該設備對A方的信號進行一系列處理，之后傳遞給C方的電話設備。C方的設備接收到信號后，同樣會經過一系列轉換，最終把信息呈現給C方的人。此處可見層次性，人有人的語言體系，人與人之間以中文交流，而底層是兩部電話在運用電話可識別的信號聯絡，因此人打電話至少涉及雙重溝通方式。

再來看下面這張圖：

如果兩位外國人通電話時講的是英語，那么他們之間的交流約定就是英語，但這并不會妨礙他們的通話，通信的基礎還是電話本身的協議。

兩個人若用無線電交流，那么其基礎傳輸規則就會轉變為無線電的規則。

上面這個例子就能說說為啥要分層了。

網絡協議是怎么分層的呢？

通過通信時出現的問題來分，不同層解決不同問題。

通信的復雜程度是和距離成正相關的。

僅就聯絡角度而言，遠方相隔遙遠的兩臺設備進行信息交互時，可能會遭遇的障礙包括：

接收方未能收到數據，這就是數據丟失的現象。發送方如何知道接收方的具體位置，怎樣保證信息發送準確無誤，這就是定位的難題。遠距離傳輸數據時，必須經過多個路由器的中轉（不清楚的話可以參考之前的廣域網示意圖）。例如數據先傳給第一個路由器，第一個路由器再轉交給第二個路由器，接著不斷傳向下一個路由器，從而解決了下一站節點的選擇問題。

上面三個問題，那么就可以有三層：

數據傳輸中的差錯由傳輸階段處理。網絡路徑的確定由網路階段負責。轉發過程中的目標節點，由鏈路階段處理。

此外，還存在另一個疑問，即數據傳輸時需采用何種頻段等硬件層面的細節，這類議題屬于物理層范疇的探討，然而物理層過于側重硬件層面，鑒于我的博客主要聚焦軟件議題，因此對物理層內容不作詳盡闡述。

從實際運用角度講，接收方在獲取信息之后怎樣進行信息處置，該事項屬于應用層面負責。因此總共包含五個層級協議：

先前已提及，核心內容圍繞軟件展開，因此硬件層面的議題不予探討，僅聚焦于其上四部分：

這種分層結構是網絡協議中最為典型的架構，即TCP/IP模型。

我前面講進程概念的博客中有這么一張圖：

這一處也存在層級劃分，那么網絡協議的層級構造與當前計算機的層級結構之間是否存在關聯呢？

答案是有的：

都是對應的。

后續文章將詳細闡述應用層編程方法，同時介紹傳輸層與網絡層的操作系統實現方式。通信過程中依賴傳輸層提供的系統調用接口，因此網絡編程的根本屬性屬于系統編程范疇。由于核心是操作系統，所以本質上還是在學習操作系統。

TCP和IP是在系統內核里構建的，它們主要負責管理數據傳輸的相關事務，而應用層則由用戶程序負責，主要處理數據如何被程序使用的問題。

但制定個性化網絡規則的機構，并非完全依照那5個層級來構建，而是采用7個層級進行規劃，

這個分層架構是OSI七層模型。它比TCP/IP模型多出兩個層級，其中一個是用于數據格式轉換的層級，另一個是負責建立和終止通信會話的層級。

TCP/IP出現的時間晚于OSI，它們之間的聯系，好比是設計圖和建成后的建筑，非常相似。

OSI是由專業組織制定規范的，并非由其完成實施，當實際開展OSI工作時，人們發現應用層、表現層和會話層難以分割，它們本質上是一個整體，因此決定將這三層合并處理。

TCP/IP五層架構（或四層版本），可以忽略不看，對于初學者來說過于復雜，我這里僅是讓你簡單了解，其中包含許多初學者難以理解的內容

TCP/IP是多個協議的總稱，里面包含眾多協議，共同構成了TCP/IP協議系列。

TCP/IP通信體系采用了五級分層架構，每一級都借助下一級提供的網絡功能來達成自身目標：

網絡底層我們關注得不多,所以很多時候也稱作 TCP/IP四層架構。

一般而言

并非所有設備都僅限于單一功能，部分交換機同樣具備處理網絡數據包的能力，而某些路由器也承擔了部分數據傳輸環節的任務，例如進行端口導向的連接轉換。

兩個主機間的通信 在同一個局域網中的主機

同處一個網絡環境下的兩臺設備能夠直接進行數據交換，信息傳遞在概念上表現為本機軟件層面直接將資料發送給對方軟件層面，

但是實際上并不是，就像剛剛打電話的那個例子一樣。

交流時，一方信息需先由上至下將報文信息從頂層逐層送至底層，接著經局域網（以太網是普及最廣的局域網類型）傳至對方鏈路環節，最后再由底層逐層回升至頂層。

為啥要這樣干呢，我來講一個生活中的例子。

如果你們同住一個社區，但分別住在不同的樓宇，你住在A號樓，朋友住在B號樓，不過你們都在五層，當朋友要給你送個禮物時，他需要先從B號樓的五層降到一層，接著走AB號樓之間的通道到A號樓樓下，最后跑到A號樓的五層，這樣禮物就到你手了。因此，從道理上講是你朋友把禮物直接交到了你手里，但從實際操作上講，TA是先向上移動，再橫穿過來，然后又向下移動，才把禮物送到你手中。這個過程跟數據傳送很相似。一種是站在使用者的立場去思考，另一種是站在技術人員的角度去分析。

報頭

分層構造里，各層都有專屬的協議設定，每層協議均需配備獨特的協議頭標識，數據自上而下流轉時須附加該頭信息，數據自下而上遞交時則要移除該頭信息，例如當前通過QQ發送一條你好信息，整個向底層傳輸的經過大致如下所示（圖中頭部的形態系隨意繪制而成）：

數據在傳送過程中逐級處理，每經過一層都會進行拆解，拆解就是把接收到的信息中的首部信息和實際內容分開，實際內容就是每層最外層用長方形框起來的部分，然后將這部分內容傳遞給更高一層，整個過程就是這樣。

完整流程就是：

那報頭是干啥的呢？

回憶一下大家寄送和收取快遞的情景，寄快遞時必須填寫一份表格，該表格會粘貼在包裹上，這份包裹并非供寄件人或收件人查閱，而是供快遞企業參考，此表格可視為信封，對寄送方和收取方均無實際意義，僅是附加的物件，快遞流轉過程為寄送人，經過快遞企業，再由快遞企業，最終送達收件人，總共涉及兩個環節。收到快遞后開始拆開包裝，拆開后拿到數據就進行移交，只是說明只有兩層東西，拆包裝這個工作是我一個人完成的。

數據從上往下傳送時，下層需依據自身規則為上層數據附加特定信息，而接收方的同級單位在獲取數據后，也要按照其規范解析并處理來自下層的相應字段內容。報文頭部就是接收信息時多出來的部分。這部分內容可以確定交給哪一種上層協議。

自上到下封裝：添加報頭。

自下到上解包：去掉報頭 + 展開分析（后面說）。

增加報文頭部類似將元素放入棧中，移除報文頭部類似從棧中取出元素，這種情況下同一層級在邏輯上就是直接進行信息交互。

提升效率，無需逐層定位報頭，只需查找棧頂即可。

如何做到直接通信

先前已提及局域網內兩臺設備能夠直接聯絡，那么其實現方式是怎樣的呢？

先來講個例子：

課堂教學進行中，教師點名讓張三應答，當時全班學生均可聽見，然而僅有張三站起身來，二者交談之際全班眾人依舊能清楚辨識，不過教師僅與張三進行交流，換言之，即便所有人都能接收訊息，他們之間卻實現了定向聯絡，教師向張三傳遞，張三向教師回應。

問：為什么老師點名張三時，其他同學不站起來？（問題有點二）

由于老師沒有邀請任何其他同學，這一情況的前提是每位同學都得到了這個通知。

本地網絡也是如此，交流時如同某臺設備在整個本地網絡中發言，隨后指明某個設備，就能夠向該設備傳遞信息了。參見圖示。

此刻有六臺設備ABCDEF接入同一網絡，當B要聯系E時，會先通知目標地址，但此通知會被ACDEF全部接收，它們會核對通知中的設備標識是否指向自身，若非本機則立即忽略，因此最終僅D能獲取該通知，并將信息上傳至更高層級處理，同理D若需回復B，也會遵循相同機制。

課堂上，有個學生總不守規矩，老是干擾老師講課，導致教學無法正常進行。教室里，大家都能說話，可當老師授課時，要是有人大聲喧嘩，就會妨礙老師講課，也會干擾老師和學生之間的交流。

B與E主機進行聯絡時，借助局域網進行信息傳遞，局域網內任何接入的主機都有權向其中發送光脈沖信號，當A主機在B與E正在順暢交流期間隨意發送數據，便會造成B與E發出的以及A發出的光脈沖信號相互交織，進而導致B與D之間的信息變得難以分辨，這種現象被稱為局域網數據傳輸過程中出現的沖突現象。

在不同局域網中的主機

跨不同網段的主機進行信息交互時存在一些差異，但封裝和解析報文頭的過程基本相同。

局域網的具體形式或許存在差異。需要留意的是我特別強調了或許，當前廣受歡迎的局域網模式包括有線網絡以及無線路由。

如果各位想看看局域網有哪些可以看看這篇博客：。

不同區域的網絡，不論類型是否一致，若需實現互通，就必須借助路由設備，先前那些描繪演進歷程的圖表也闡明過這個情況。

看圖：

需要說明具體步驟時，必須先提及兩個地址：物理地址和網際協議地址。

MAC地址和IP地址