先做個(gè)小測試。下面這個(gè)問題很多人學(xué)完整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程也未必能一句話說清協(xié)議到底是什么你大概能背出幾個(gè)名詞TCP、UDP、HTTP、IP……也能說出來協(xié)議就是約定。但要是再追問一句它到底怎么實(shí)現(xiàn)跟代碼有什么關(guān)系——很多人就卡住了。這篇文章的目標(biāo)就是在接觸任何具體協(xié)議之前先把協(xié)議這個(gè)概念的底層邏輯徹底講透。先立框架再學(xué)細(xì)節(jié)后面學(xué) TCP、IP、HTTP 的時(shí)候你會發(fā)現(xiàn)自己比別人快得多。目錄一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程1.獨(dú)立模式2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)階段3.局域網(wǎng) LAN?編輯4.廣域網(wǎng) WAN二、通信的前提兩臺計(jì)算機(jī)必須說同一種語言三、從約定到協(xié)議電話鈴聲里的道理四、單靠約定不夠語言不通與標(biāo)準(zhǔn)化的必然五、拓展誰來制定標(biāo)準(zhǔn)從 IEEE 到 W3C、3GPP1.國際標(biāo)準(zhǔn)化組織2.區(qū)域與行業(yè)組織3.互聯(lián)網(wǎng)工程組織4.專注某一領(lǐng)域的行業(yè)大佬5.公司6.官方機(jī)構(gòu)六、協(xié)議的工程靈魂為什么一定要分層1.一個(gè)最簡單的分層例子2.拓展分層帶來的四個(gè)現(xiàn)實(shí)好處七、拓展OSI 七層到底分成哪七層八、理論 vs 現(xiàn)實(shí)為什么最終贏家是 TCP/IP1.TCP/IP 五層或四層模型速查2.一套經(jīng)典的分層 × 硬件對應(yīng)關(guān)系九、用一段代碼揭開本質(zhì)協(xié)議就是雙方都認(rèn)識的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型1.于是協(xié)議有了一個(gè)非常樸素、也非常本質(zhì)的定義2.快遞單類比十、結(jié)語1.一句話總結(jié)2.一張思維導(dǎo)圖一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)分為四個(gè)階段1.獨(dú)立模式計(jì)算機(jī)彼此孤立數(shù)據(jù)互不互通多人使用只能排隊(duì)等待處理任務(wù)使用效率極低。2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)階段多臺計(jì)算機(jī)接入服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中共享用戶可自由切換業(yè)務(wù)擺脫排隊(duì)限制。3.局域網(wǎng) LAN借助交換機(jī)、路由器連接大量終端完成小范圍設(shè)備組網(wǎng)通信。4.廣域網(wǎng) WAN將世界各地的局域網(wǎng)相互連通實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離互聯(lián)。局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)是相對概念大型廣域網(wǎng)也可以視作規(guī)模超大的局域網(wǎng)二者共同組成現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)。二、通信的前提兩臺計(jì)算機(jī)必須說同一種語言計(jì)算機(jī)為什么需要網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槿耸菂f(xié)作的動物而計(jì)算機(jī)是人制造的工具——人要協(xié)同工作計(jì)算機(jī)就必須互聯(lián)所以網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)是必然的。但把兩臺計(jì)算機(jī)用網(wǎng)線連起來并不等于它們能通信。想想看物理介質(zhì)上傳輸?shù)氖枪庑盘柡碗娦盘栃盘柾ㄟ^頻率和強(qiáng)弱來表示 0 和 1 這樣的信息可光是傳出去一串 0/1 沒有任何意義——對方根本不知道你在說什么。就像兩個(gè)人打電話聲音能傳過去但如果一個(gè)說中文、一個(gè)說葡萄牙語那就是雞同鴨講。所以通信的前提是雙方必須共享一套語言規(guī)則——數(shù)據(jù)按什么格式組織、先發(fā)什么后發(fā)什么、誰代表地址、誰代表內(nèi)容。這套規(guī)則就是協(xié)議最初的樣子。三、從約定到協(xié)議電話鈴聲里的道理理解協(xié)議最好的方式是從生活里找類比。打電話的例子你給朋友打電話雙方約定電話鈴響幾聲代表某個(gè)信號——比如響一聲掛斷代表到了響兩聲掛斷代表先走。這個(gè)響幾聲的約定就是一種最樸素的口頭協(xié)議。把場景升級到計(jì)算機(jī)世界計(jì)算機(jī)之間要約定信號用頻率表示還是用強(qiáng)弱表示數(shù)據(jù)的格式怎么定義哪些位是地址哪些位是數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)多長傳完之后如何告訴對方我說完了這些必須提前約定好否則對方收到的只是一堆毫無意義的 0/1。所以協(xié)議的第一層理解它是通信雙方共同遵守的一套約定。四、單靠約定不夠語言不通與標(biāo)準(zhǔn)化的必然問題來了只要通信的兩臺主機(jī)私下約定好協(xié)議就可以了嗎答案是不行。你用頻率表示 0/1我用強(qiáng)弱表示 0/1——就好比你說中國話、我說葡萄牙語。即便我們遵守的是同一套通信流程都是先說地址再說數(shù)據(jù)底層語言都不同定好的協(xié)議也形同虛設(shè)雙方依舊無法正常通信。所以一個(gè)完善的協(xié)議必須包含更多、更細(xì)致的規(guī)則并且讓參與通信的每一方都遵守。再把視角拉遠(yuǎn)一點(diǎn)你會發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化是必然的計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商有很多操作系統(tǒng)有很多網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備還是有很多。如何讓這些不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備能順暢地互相通信唯一的出路是有人站出來定一個(gè)共同標(biāo)準(zhǔn)大家都遵守。這個(gè)共同標(biāo)準(zhǔn)才是我們常說的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。五、拓展誰來制定標(biāo)準(zhǔn)從 IEEE 到 W3C、3GPP能定標(biāo)準(zhǔn)的基本都是業(yè)界公認(rèn)、有江湖地位的組織。除了IEEE、ISO、ITU、IETF現(xiàn)實(shí)世界還有很多組織在背后默默制定著我們每天用到的協(xié)議。這里做一次擴(kuò)充整理1.國際標(biāo)準(zhǔn)化組織組織全稱主要貢獻(xiàn)IEEE電氣和電子工程師協(xié)會制定全球電氣、電子和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域約 30% 的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802 系列覆蓋局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Wi-Fi 的 802.11 就是它的杰作ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織主導(dǎo)了OSI 開放系統(tǒng)互連模型定義了網(wǎng)絡(luò)通信的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)ITU國際電信聯(lián)盟聯(lián)合國下屬專門機(jī)構(gòu)制定電話與網(wǎng)絡(luò)通信的電信級標(biāo)準(zhǔn)與 ISO 合作保障全球互操作2.區(qū)域與行業(yè)組織ETSI歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會歐洲各國政府資助覆蓋從研究到標(biāo)準(zhǔn)制定的電信全鏈條。ASTAP亞洲與泛太平洋電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會1998 年由日韓發(fā)起協(xié)調(diào)亞太地區(qū)信息通信基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化。3.互聯(lián)網(wǎng)工程組織IETF互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組互聯(lián)網(wǎng)真正的立法機(jī)關(guān)。TCP/IP 協(xié)議族幾乎全部由它制定通過RFCRequest For Comments文檔發(fā)布——你現(xiàn)在看到的任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范幾乎都能在 RFC 里找到原文。4.專注某一領(lǐng)域的行業(yè)大佬組織領(lǐng)域W3C萬維網(wǎng)聯(lián)盟HTML、CSS、Web 標(biāo)準(zhǔn)3GPP第三代合作伙伴計(jì)劃移動通信標(biāo)準(zhǔn)4G/5G 的制定者藍(lán)牙 SIG藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟藍(lán)牙協(xié)議GSMA全球移動通信協(xié)會SIM 卡、移動服務(wù)規(guī)范5.公司一些公司也自研標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧例如泰凌微自研低功耗藍(lán)牙、Zigbee、Thread、Matter 等協(xié)議棧并可定制化這是其核心競爭力。6.官方機(jī)構(gòu)FCC美國聯(lián)邦通信委員會美國官方通信管理機(jī)構(gòu)監(jiān)管無線電、電視和有線通信審查通信產(chǎn)品技術(shù)特性。小結(jié)標(biāo)準(zhǔn)不是誰想定就能定的它需要權(quán)威、共識和生態(tài)。理解標(biāo)準(zhǔn)從哪來你就明白了為什么全世界數(shù)以億計(jì)的設(shè)備能互相通信——因?yàn)樗鼈冏袷氐氖峭惶资澜缤ㄓ谜Z言。六、協(xié)議的工程靈魂為什么一定要分層有了標(biāo)準(zhǔn)問題解決了嗎還沒有。因?yàn)檎鎸?shí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議極其復(fù)雜如果做成一個(gè)大禮包任何廠商都維護(hù)不起。這里有個(gè)非常關(guān)鍵的思維協(xié)議本質(zhì)也是軟件。軟件設(shè)計(jì)追求模塊化、解耦合所以協(xié)議也被設(shè)計(jì)成了層狀結(jié)構(gòu)。1.一個(gè)最簡單的分層例子假設(shè)我們的協(xié)議只有兩層語言層通信設(shè)備層。通信設(shè)備層負(fù)責(zé)怎么把電信號發(fā)出去相當(dāng)于電話線語言層負(fù)責(zé)我要表達(dá)什么意思相當(dāng)于中文還是英文。想換語言只改語言層。想換傳輸介質(zhì)只改設(shè)備層。兩層互不影響各改各的——這就是解耦合。真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比這復(fù)雜得多要分更多層但設(shè)計(jì)哲學(xué)是一樣的分層讓軟件維護(hù)成本更低。2.拓展分層帶來的四個(gè)現(xiàn)實(shí)好處解耦合改一層不影響其他層維護(hù)成本低各層可獨(dú)立演進(jìn)比如把雙絞線換成光纖物理層升級上面的 HTTP 完全不用動職責(zé)清晰每一層只解決一類問題出錯(cuò)時(shí)容易定位是哪一層的問題不同廠商可以專攻某一層做路由器的專注網(wǎng)絡(luò)層做網(wǎng)卡的專注鏈路層生態(tài)繁榮。七、拓展OSI 七層到底分成哪七層OSI七層參考模型是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的網(wǎng)絡(luò)理論標(biāo)準(zhǔn)。OSI作為參考規(guī)范其分層思想被實(shí)際使用的TCP/IP模型借鑒但互聯(lián)網(wǎng)并未完全實(shí)現(xiàn)OSI標(biāo)準(zhǔn)。課程里提到 OSI 七層模型時(shí)只說把網(wǎng)絡(luò)邏輯上分成 7 層但常常不展開。這里把每一層補(bǔ)全——這是理解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的坐標(biāo)系值得先記下來。層號名稱核心職責(zé)典型協(xié)議/設(shè)備7應(yīng)用層面向用戶的應(yīng)用交互HTTP、FTP、SMTP、DNS6表示層數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、加密壓縮JPEG、ASCII、TLS可歸此層5會話層建立/管理/終止會話NetBIOS、RPC4傳輸層端到端的可靠傳輸TCP、UDP3網(wǎng)絡(luò)層地址管理與路由選擇IP、路由器2數(shù)據(jù)鏈路層幀的傳送與差錯(cuò)檢測以太網(wǎng)、交換機(jī)1物理層光/電信號的傳輸方式雙絞線、光纖、HubOSI 模型最大的貢獻(xiàn)是把服務(wù)、接口、協(xié)議三個(gè)概念清晰區(qū)分開協(xié)議同層之間如何通信的規(guī)則對等層之間說話用的語言接口本層如何被上層調(diào)用上下層之間的電話服務(wù)本層能為上層提供什么能力上層能獲得的東西。這個(gè)概念區(qū)分是網(wǎng)絡(luò)理論里最精華的部分后面寫 Socket 程序時(shí)你會真切體會到接口的分量。八、理論 vs 現(xiàn)實(shí)為什么最終贏家是 TCP/IP你可能要問OSI 七層這么完美為什么實(shí)際用的是 TCP/IP 五層或四層真實(shí)原因是多方面的OSI 太重七層中會話層、表示層的功能在實(shí)際操作中很難落地到操作系統(tǒng)工程上往往被合并吸收最終實(shí)際落地的是五層結(jié)構(gòu)OSI 來得太晚OSI 還在設(shè)計(jì)圖紙階段時(shí)TCP/IP 已經(jīng)在 ARPANET 上跑起來了先發(fā)優(yōu)勢巨大TCP/IP 免費(fèi)、開放、有實(shí)現(xiàn)幾乎所有操作系統(tǒng)內(nèi)核都內(nèi)置了 TCP/IP 協(xié)議棧想不用都難TCP/IP 更務(wù)實(shí)它不追求理論上的完美分層而是夠用就行。1.TCP/IP 五層或四層模型速查層級職責(zé)典型協(xié)議對應(yīng)設(shè)備應(yīng)用層應(yīng)用程序之間溝通HTTP、SMTP、FTP、Telnet——傳輸層兩臺主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸TCP可靠、UDP不可靠——網(wǎng)絡(luò)層地址管理和路由選擇IP用 IP 地址標(biāo)識主機(jī)、用路由表規(guī)劃路徑路由器數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備之間數(shù)據(jù)幀的傳送與識別幀同步、沖突檢測、差錯(cuò)校驗(yàn)、以太網(wǎng)交換機(jī)物理層光/電信號的傳遞方式雙絞線、同軸電纜、光纖、Wi-Fi集線器物理層的性能決定了最大傳輸速率、傳輸距離和抗干擾性。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編程主要關(guān)注軟件內(nèi)容物理層考慮得少所以很多場合直接稱TCP/IP 四層模型。2.一套經(jīng)典的分層 × 硬件對應(yīng)關(guān)系主機(jī)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了從傳輸層到物理層應(yīng)用層是用戶程序路由器實(shí)現(xiàn)了從網(wǎng)絡(luò)層到物理層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)鏈路層到物理層集線器Hub只實(shí)現(xiàn)了物理層。注意并不絕對很多交換機(jī)支持網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)很多路由器能做端口轉(zhuǎn)發(fā)。但記住這張主力分工圖就是理解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的地圖。九、用一段代碼揭開本質(zhì)協(xié)議就是雙方都認(rèn)識的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型概念講了這么多協(xié)議的本質(zhì)到底長什么樣別急一段 C 代碼直接把它戳破。操作系統(tǒng)源碼一般用 C/C 編寫。設(shè)想通信雙方定義了一個(gè)一模一樣的結(jié)構(gòu)體// 通信雙方都復(fù)制粘貼了這份代碼 struct protocol { int a; // 4 字節(jié) int b; // 4 字節(jié) int c; // 4 字節(jié) }; // 發(fā)送方構(gòu)造數(shù)據(jù)并發(fā)出去 struct protocol data {10, 20, 30}; send_data(data, sizeof(data));接收方收到一串字節(jié)流后只要按同一個(gè)結(jié)構(gòu)體去解析就能還原出a 10, b 20, c 30。問題主機(jī) B 能識別 data并準(zhǔn)確提取出 a10、b20、c30 嗎回答答案是肯定的因?yàn)殡p方都有同樣的結(jié)構(gòu)體類型struct protocol。用同樣的代碼實(shí)現(xiàn)協(xié)議用同樣的數(shù)據(jù)類型定義數(shù)據(jù)。雙方天然就具有共識能夠解析對方發(fā)來的數(shù)據(jù)——這不就是約定嗎這也就解釋了為什么Linux和Windows之間可以進(jìn)行互相聯(lián)系了1.于是協(xié)議有了一個(gè)非常樸素、也非常本質(zhì)的定義所謂協(xié)議就是通信雙方都認(rèn)識的、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)類型。再深入一層因?yàn)閰f(xié)議棧是分層的所以每一層都有雙方共同遵守的協(xié)議。同層之間互相能識別對方的協(xié)議——應(yīng)用層對應(yīng)用層、傳輸層對傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層對網(wǎng)絡(luò)層……每一層的結(jié)構(gòu)體長什么樣、怎么解析都由這一層的協(xié)議規(guī)定。2.快遞單類比網(wǎng)購商品時(shí)商家把商品應(yīng)用層數(shù)據(jù)裝進(jìn)箱子貼上快遞單這一層協(xié)議規(guī)定的頭部信息快遞分揀中心把它裝進(jìn)更大的包裹再貼一張運(yùn)輸單下一層協(xié)議的頭部……數(shù)據(jù)每經(jīng)過一層就被套上一層信息。收件時(shí)每一層再一層層拆開最終把商品送到你手上。數(shù)據(jù)向下每過一層就封裝一次向上每過一層就解包一次——這就是協(xié)議分層在數(shù)據(jù)傳輸上的真實(shí)寫照。十、結(jié)語1.一句話總結(jié)網(wǎng)絡(luò)讓計(jì)算機(jī)互聯(lián)協(xié)議是通信雙方共同遵守的約定因?yàn)閱栴}能分層協(xié)議也分層實(shí)現(xiàn)而協(xié)議的本質(zhì)是通信雙方都認(rèn)識的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型struct protocol數(shù)據(jù)的流動靠封裝—解包完成。2.一張思維導(dǎo)圖網(wǎng)絡(luò)協(xié)議入門 ├── 通信前提說同一種語言約定數(shù)據(jù)格式 ├── 協(xié)議是什么一種約定 │ ├── 光有約定不夠 → 語言必須相通 │ └── 需要公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn) → IEEE / ISO / ITU / IETF / W3C / 3GPP ... ├── 協(xié)議分層 │ ├── 軟件分層的啟示模塊化、解耦合 │ ├── OSI 七層模型理論完整、工程太重 │ └── TCP/IP 五層/四層模型實(shí)際落地 │ └── 主機(jī) / 路由器 / 交換機(jī) / 集線器的分層分工 ├── 協(xié)議本質(zhì)通信雙方都認(rèn)識的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型 │ └── struct protocol 示例同樣的代碼 同樣的類型 共識 └── 數(shù)據(jù)流動報(bào)頭 有效載荷 報(bào)文封裝 → 傳輸 → 解包每一步都緊扣今天建立的框架——分層、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、封裝解包——你會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)其實(shí)沒有想象中那么難。如果你覺得這篇有幫助歡迎點(diǎn)贊、收藏、關(guān)注我們下一篇見