伴随着Linux专栏逐渐步入尾声，我们也将正式翻开全新的篇章《计算机网络》系列。
有道是：系统网络不分家。如果说Linux带我们认识了操作系统如何管理一台计算机，那么计算机网络，将带我们探索数据如何跨越万千设备，完成一场从一端到另一端的通信。
本专栏会继续坚持由浅入深、原理与实践并重，带大家一步一步，走进计算机网络的世界。
目录
一、计算机网络的发展历史
1.1 从独立，到局部，再到整体
最早的时候，计算机与计算机之间是相互独立的。
那时候要想交换数据，靠的是软盘，揣着一盒盘，从这台机器跑到那台机器，手动把数据“搬”过去。
后来，网络互联出现了：多台计算机连在一起，数据共享从此不再靠腿跑。
再往后，局域网（LAN）登场，计算机数量更多了，大家通过交换机和路由器连接在一起，形成一个局部的小天地。
紧接着，广域网（WAN）出现，让远隔千里的计算机之间也能建立联系。
局域网和广域网，其实是一个相对的概念。比如我们国家的广域网，放到全球互联网的尺度下，也可以视作一个比较大的局域网。
1.2 为什么会这样：网络发展史背后的思考
计算机是人造出来的工具，而人类从远古时代起就离不开协作。这个朴素的道理，放在机器身上也一样，计算机之间，迟早得学会互相打交道。所以，网络的诞生，几乎是命中注定的。
它的成长路径，也遵循着一条从局部到整体的客观规律：
局部产生：早期的网络，只在某个区域或某个机构内部独立生长，各玩各的。
走向整体：局部网络越连越多、越滚越大，到了全局层面，最终只能收敛到一套统一的标准上。
从时间线看，大致是这么走过来的：
保密阶段：早期以阿帕网为代表，妥妥的内部保密项目，外人根本摸不着。
公开与普及：到了九十年代前后，这些技术慢慢解密公开，随后由美国人牵头组建互联网，并在92、93年以及97、98年前后，一路加速狂奔。
再从产业生态的角度看一眼：
基础设施建设：通信公司和运营商埋头铺路，把网络基础设施搭起来，接入了成千上万的用户。
上层服务赋能：等基础设施足够厚实了，互联网公司才得以借势而起，在上面跑出五花八门的网络服务，迎来一轮又一轮的爆发。
二、初步认识协议
2.1 建立初步认识：什么是协议
2.1.1 协议就是一种约定
计算机之间的传输媒介，是光信号和电信号。信息怎么表示？靠“频率”和“强弱”来区分0和1。可光有0和1还不够，想传递千变万化的信息，双方就得先把数据格式约定清楚。
协议的本质，就是一种约定。目的很实在：减少沟通成本，快速形成共识。
但这里有个值得多想一步的问题：只要两台主机约好协议，就够了吗？
未必。协议定了，可你用频率表示0和1，我用强弱表示0和1，这就好比我讲中国话，你讲葡萄牙语。规则是同一套，语言却对不上，照样鸡同鸭讲，通信根本跑不起来。
所以，一套完善的协议，需要更多、更细致的规定，而且参与的每一方，都得老老实实遵守。
再看看现实里的局面：计算机制造厂商一大堆，操作系统五花八门，网络硬件设备更是各家各款。想让这些来自不同厂商的机器顺畅通信，怎么办？总得有人站出来，定一个共同的标准，大家都照着来，这就是网络协议。
计算机之间，正是靠着这套统一的协议标准来交互。比如ISO国际标准化组织制定的OSI标准，就是其中的经典代表。
2.1.2 科普：谁有资格制定协议标准
能定协议、立标准的，都不是等闲之辈。要么是业界公认的老牌组织，要么是江湖地位摆在那儿的巨头。下面这几类，了解一下就行。
1. 国际标准化组织
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IEEE（电气和电子工程师协会）：计算机和工程领域专家组成的技术大组织，在通信协议这块贡献极大。全球电子、电气、计算机领域大约三成的标准，都出自它手。IEEE 802系列标准，就是从局域网到广域网的各种网络技术，全是它定的。
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ISO（国际标准化组织）：由各国标准化团体凑起来的国际组织，最出名的活儿是OSI模型。七层协议结构，定义了网络通信的骨架。虽然实际应用里TCP/IP协议族更吃香，但OSI模型在学术和理论圈，地位一直稳如泰山。
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ITU（国际电信联盟）：联合国下属的专门机构，专管电信领域的国际标准。ITU-T制定的标准覆盖电话和网络通信，还跟ISO合作，确保通信技术在全世界兼容互通。
2. 区域标准化组织
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ETSI（欧洲电信标准学会）：欧洲共同体各国政府掏钱资助，电信厂商和研究机构一起参与，从研发到标准制定，一条龙。
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ASTAP（亚洲与泛太平洋电信标准化协会）：1998年由日本和韩国发起，专门推动亚太地区信息通信基础设施的标准化协作。
3. 公司
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有些公司也自己搞协议栈。比如泰凌微，自研低功耗蓝牙、Zigbee、Thread、Matter等各种标准的软件协议栈，还能按需定制。这是它的核心竞争力之一。泰凌微还打算重点发力智能电子价签、智能遥控、智能家居这些市场。
4. 民间国际团体
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IETF（互联网工程师任务组）：志愿者组织，负责开发和推广互联网协议，尤其是 TCP/IP 协议族。新标准、旧标准替换，都通过RFC发布。
5. 官方机构
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FCC（联邦通信委员会）：美国管通信技术的官方机构，主要职责是通过对无线电、电视和有线通信的管理，保护公众利益。通信产品的标准化技术特性，也在它的审查和监督范围之内。
这些组织或公司，都能在一定程度上定制协议标准，满足特定需求，或者推动技术往前走。
2.2 为什么要进行协议分层
2.2.1 初步理解什么是协议分层
协议这东西，骨子里也是软件。既然是软件，就得讲究模块化和解耦。于是，它被设计成了层状结构，一层叠一层，各管一摊。其实所有的软件，本质上都是层状、模块化的，网络协议栈也不例外。
这就带来了两种不同的视角。普通用户站在最顶层，只关心“我这个应用好不好使”，底下怎么折腾，一概不理；工程师则不一样，他得钻进底层，盯住每一层的实现细节，看看数据到底怎么封、怎么传、怎么拆。
同层通信：在逻辑上，同层之间看起来像是在直接对话。发送方的某一层跟接收方的同一层，仿佛隔空喊话，规矩对规矩，格式对格式。当然，物理上数据还得一层层往下走、再一层层往上传，但逻辑上，它们就是平级交流。
分层解耦：分层最大的好处，就是能“无障碍替换”。哪一层想升级、想换实现，只要接口对得上，其他层完全不受影响。系统维护和演进的成本，就这么被压了下来。
打个比方，协议分层就像一栋楼。住户只管自己房间住得舒不舒服，水电工负责管道线路，结构工程师操心承重抗震。谁也不用越界管别人的事，出了问题也容易定位，是哪一层的锅，就找哪一层。
2.2.2 科普：OSI七层模型
OSI，全称Open System Interconnection，开放系统互连。它是一套七层网络模型，也是一个逻辑上的定义和规范。
它把网络从逻辑上切成了七层。每一层，都对应着相关的物理设备，比如路由器、交换机，各管各的活儿。OSI七层模型是一种框架性的设计方法，最核心的功能，就是帮不同类型的主机实现数据传输。
它最大的优点，是把服务、接口、协议这三个概念明确地区分开来。概念清楚，理论也完整。通过这七个层次化的结构，不同的系统、不同的网络之间，才能实现可靠的通信。
但问题也来了，它既复杂，又不实用。所以实际讲网络的时候，我们用的是TCP/IP四层模型。
其实从网络角度看，OSI定义的七层模型非常完善。只是在真刀真枪的操作过程中，会话层和表示层根本接不进操作系统。所以落到工程实践里，最终落地的是五层协议。
这句话，得等我们学完网络才能真正理解。现在先记住就行。
2.2.3 TCP/IP五层模型
TCP/IP 是一组协议的代名词，底下还包含许多协议，合在一起，就是 TCP/IP 协议簇。
它采用的是五层结构，每一层都调用下一层提供的服务，来完成自己的活儿。
物理层：负责光信号和电信号的传递。网线、光纤、电磁波，都归它管。集线器（Hub）就在这一层干活。这一层的能力，直接决定了最大传输速率、传输距离和抗干扰性。
数据链路层：负责设备之间数据帧的传送和识别。网卡驱动、帧同步、冲突检测、差错校验，都是它的分内事。交换机（Switch）工作在这一层。
网络层：负责地址管理和路由选择。IP协议就在这儿，用IP地址标识一台主机，靠路由表规划出两台主机之间的传输线路。路由器（Router）在这一层。
传输层：负责两台主机之间的数据传输。TCP协议就在这里，保证数据可靠地从源主机送到目标主机。
应用层：负责应用程序之间的沟通，比如SMTP、FTP、Telnet。我们后面要讲的网络编程，主要就是针对这一层。
物理层这块，我们平时聊得不多，重点还是放在软件相关的内容上。所以很多时候，干脆把TCP/IP模型简化成四层来说，物理层就不单独拎出来了。
大致上，各类设备各自实现到哪一层，有这么个对应关系：
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一台主机：操作系统内核把传输层到物理层全包了。
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一台路由器：实现了网络层到物理层。
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一台交换机：实现了数据链路层到物理层。
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一台集线器：只实现了物理层。
当然，这也不是绝对的。很多交换机也能干网络层转发的活，不少路由器也实现了部分传输层的内容，比如端口转发。设备的职责边界，随着技术发展，早就没那么泾渭分明了。
三、深化对协议的认知
3.1 为什么需要TCP/IP协议
多台主机通过网络通信，本质上，还是设备到设备的通信。
本地通信 vs 网络通信：所有设备，说到底都是靠“线”连起来的。计算机内部，CPU、内存、磁盘，基于冯·诺依曼体系，本身就是一个网络结构，只不过规模小、距离近。
核心区别：网络通信比起本地通信，唯一的差别就是传输距离变长了。本地通信，数据在机箱里跑；网络通信，数据要跨越大半个地球。
距离一拉长，新麻烦就冒出来了：
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数据怎么处理？
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数据丢了怎么办？
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怎么定位目标主机？
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当下立刻要去哪里？
问题一冒出来，就得有人给方案。
TCP/IP协议的本质，就是一套针对网络长距离通信的解决方案。 距离带来的那些麻烦，它一条条接住，一个个解决。
3.2 TCP/IP协议到底是什么
TCP/IP协议的本质，就是一种解决方案。
它能分层，前提是因为问题本身就能分层。距离带来的麻烦不是铁板一块，寻址是一个问题，可靠传输是另一个问题，信号怎么传又是一个问题。问题分得开，解决方案自然也能拆成一层一层，各管各的。
3.3 TCP/IP协议与操作系统的关系
这张图大家一定很眼熟，之前的文章里我们详细讲过。
操作系统的体系结构是层状的，注定了网络协议栈也是层状的，因为网络本来就是操作系统的一部分。
各层各解决什么问题，对应得很清楚：
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应用层：解决“应用程序之间怎么沟通”。
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传输层：解决“两端主机之间怎么可靠传输”。
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网络层：解决“数据怎么找到目标主机、走哪条路”。
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数据链路层：解决“相邻设备之间怎么识别和传送数据帧”。
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物理层：解决“0 和 1 怎么变成光/电信号传出去”。
于是，两种不同的操作系统，哪怕底层原理千差万别，网络部分一定是一样的。因为网络协议栈要跟外界对话，它必须遵守同一套标准。操作系统内部可以各显神通，但只要上了网，大家都得说同一种语言。
3.4 从整体角度重新理解TCP/IP协议
协议的本质，说穿了，就是约定好的结构体。结构体，就是协议在计算机世界里的落地表达方式。
举个例子。假设双方约定好这样一个结构体：
struct protocol {
int a;
int b;
int c;
char data[1024];
};现在问题来了：主机B能识别对方发来的data，并且准确地把a=10、b=20、c=30提取出来吗？
答案是肯定的。原因很简单，双方都有同样的结构体类型struct protocol。用同样的代码实现协议，用同样的自定义数据类型，天然就形成了一种“共识”。你按这个结构体打包，我按这个结构体拆包，字段一个一个对得上，数据自然读得准。这，不就是约定吗？
所以，对协议有一个最朴素的理解：
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，每一层都有自己的协议。同层之间，互相认识对方发来的结构体，各自拆解、各自处理，互不越界。
打个比方，协议就像一张快递单。它贴在数据的最外层，记录着源地址、目标地址这些关键控制信息。快递员不关心包裹里装的是什么，只认快递单上的字段，收件人是谁、发件人是谁、送到哪儿。数据每经过一层，就被贴上一张对应层的“快递单”，到了对端，再一层层撕开，按结构体读取信息。
这就是协议，一种约定，一种结构体，一种双方都能读懂的“共同语言”。
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