信號的傳輸總要符合一定的協(xié)議(protocol)。比如說長城上放狼煙，是因為人們已經(jīng)預(yù)先設(shè)定好狼煙這個物理信號代表了“敵人入侵”這一抽象信號。這樣一個“狼煙=敵人入侵”就是一個簡單的協(xié)議。協(xié)議可以更復(fù)雜，比如摩爾斯碼(Morse Code)，使用短信號和長信號的組合，來代表不同的英文字母。比如SOS(***---***,  *代表短信號，-代表長信號)。這樣"***= S, ---=O"就是摩爾斯碼規(guī)定的協(xié)議。然而更進(jìn)一層，人們會知道SOS是求助信息，原因是我們有“SOS=求救”這個協(xié)議存在在腦海里。所以"***---***=SOS=求救"是一個由兩個協(xié)議組成的分層通信系統(tǒng)。

使用Morse Code的電報機(jī)

計算機(jī)之間的通信也要遵循不同層次的協(xié)議，來實現(xiàn)計算機(jī)的通信。

所謂的物理層，是指光纖、電纜或者電磁波等真實存在的物理媒介。這些媒介可以傳送物理信號，比如亮度、電壓或者振幅。對于數(shù)字應(yīng)用來說，我們只需要兩種物理信號來分別表示0和1，比如用高電壓表示1，低電壓表示0，就構(gòu)成了簡單的物理層協(xié)議。針對某種媒介，電腦可以有相應(yīng)的接口，用來接收物理信號，并解讀成為0/1序列。

在連接層，信息以幀(frame)為單位傳輸。所謂的幀，是一段有限的0/1序列。連接層協(xié)議的功能就是識別0/1序列中所包含的幀。比如說，根據(jù)一定的0/1組合識別出幀的起始和結(jié)束。在幀中，有收信地址(Source, SRC)和送信地址(Destination, DST)，還有能夠探測錯誤的校驗序列(Frame Check Sequence)。當(dāng)然，幀中最重要的最重要是所要傳輸?shù)?font color="#ff0000">數(shù)據(jù) (payload)。這些數(shù)據(jù)往往符合更高層協(xié)議，供網(wǎng)絡(luò)的上層使用。與數(shù)據(jù)相配套，幀中也有數(shù)據(jù)的類型(Type)信息。連接層協(xié)議不關(guān)心數(shù)據(jù)中到底包含什么。幀就像是一個信封，把數(shù)據(jù)包裹起來。

以太網(wǎng)(Ethernet)和WiFi是現(xiàn)在最常見的連接層協(xié)議。通過連接層協(xié)議，我們可以建立局域的以太網(wǎng)或者WiFi局域網(wǎng)，并讓位于同一局域網(wǎng)絡(luò)中的兩臺計算機(jī)通信。連接層就像是一個社區(qū)的郵差，他認(rèn)識社區(qū)中的每一戶人。社區(qū)中的每個人都可以將一封信(幀)交給他，讓他送給同一社區(qū)的另一戶人家。

連接層：社區(qū)小郵差

不同的社區(qū)之間該如何通信呢？ 換句話說，如何讓W(xué)iFi上的一臺計算機(jī)和以太網(wǎng)上的另一臺計算機(jī)通信呢？我們需要一個“中間人”。這個“中間人”必須有以下功能: 1. 能從物理層上在兩個網(wǎng)絡(luò)的接收和發(fā)送0/1序列，2. 能同時理解兩種網(wǎng)絡(luò)的幀格式。路由器(router)就是為此而產(chǎn)生的“翻譯”。一個路由器有多個網(wǎng)卡(NIC，Network Interface Controller)，每個NIC可以接入多個網(wǎng)絡(luò)，并理解相應(yīng)的連接層協(xié)議。在幀經(jīng)過路由到達(dá)另一個網(wǎng)絡(luò)的時候，路由會讀取幀的信息，并改寫以發(fā)送到另一個網(wǎng)絡(luò)。所以路由器就像是在兩個社區(qū)都有分支的郵局。一個社區(qū)的郵差將信送到本社區(qū)的郵局分支，而郵局會通過自己在另一個地區(qū)的分支將信轉(zhuǎn)交給另一個社區(qū)的郵差手中，并由另一個社區(qū)的郵差最終送到目的地。

通過路由連接的WiFi和以太網(wǎng)

整個通信過程如下:

WiFi上的計算機(jī)1 -> 路由WiFi接口 ->  路由以太網(wǎng)接口 -> 以太網(wǎng)上的計算機(jī)2

(藍(lán)色表示W(wǎng)iFi網(wǎng)絡(luò)，綠色表示以太網(wǎng)絡(luò))

在連接層，我們的一個幀中只能記錄SRC和DST兩個地址。而上面的過程需要經(jīng)過四個地址 (計算機(jī)1，WiFi接口，以太網(wǎng)接口，計算機(jī)2)。顯然，僅僅靠連接層協(xié)議無法滿足我們的需要。由于連接層協(xié)議開發(fā)在先，我們無法改動連接層協(xié)議，只能在連接層的數(shù)據(jù)(payload)，也就是信紙內(nèi)部下功夫了。IP協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

計算機(jī)1，路由器和計算機(jī)2都要懂得IP協(xié)議。當(dāng)計算機(jī)1寫信的時候，會在信紙的開頭寫上這封信的出發(fā)地址和最終到達(dá)地址 (而不是在信封上)，而在信封上寫上要送往郵局。WiFi網(wǎng)的郵差將信送往郵局。在郵局，信被打開，郵局工作人員看到最終地址，于是將信包裝在一個新的信封中，寫上出發(fā)地為郵局，到達(dá)地為計算機(jī)2，并交給以太網(wǎng)的郵差，由以太網(wǎng)的郵差送往計算機(jī)2。

(IP協(xié)議還要求寫如諸如校驗等信息，交通狀況等信息，以保護(hù)通信的穩(wěn)定性。)

轉(zhuǎn)交給郵局

在連接層，郵差只負(fù)責(zé)在本社區(qū)送信，所以信封上的地址總是“第一條街第三座房子”或者說“中心十字路口拐角的小房子”這樣一些本地人才了解的地址描述，這給郵局的工作帶來不便。所以郵局要求，信紙上寫的地址必須是一個符合官方規(guī)定的“郵編”，也就是IP地址。這個地址為世界上的每一個房子編號(郵編)。當(dāng)信件送到郵局的時候，郵局根據(jù)郵編，就能查到對應(yīng)的地址描述，從而能順利改寫信封上的信息。

每個郵局一般連接多個社區(qū)，而一個社區(qū)也可以有多個郵局，分別通往不同的社區(qū)。有時候一封信要通過多個郵局轉(zhuǎn)交，才能最終到達(dá)目的地，這個過程叫做route。郵局將分離的局域網(wǎng)絡(luò)連接成了internet，并最終構(gòu)成了覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)。

上面的三層協(xié)議讓不同的計算機(jī)之間可以通信。但計算機(jī)中實際上有許多個進(jìn)程，每個進(jìn)程都可能有通信的需求。這就好像一所房子里住了好幾個人(進(jìn)程)，如何讓信精確的送到某個人手里呢？遵照之前相同的邏輯，我們需要在信紙上寫上新的信息，比如收信人的姓名，才可能讓信送到。所以，傳輸層就是在信紙的空白上寫上新的“收信人”信息。每一所房子會配備一個管理員(傳輸層協(xié)議)。管理員從郵差手中接過信，會根據(jù)“收信人”，將信送給房子中的某個人。

管理員

傳輸層協(xié)議，比如TCP和UDP，使用端口號(port number)來識別收信人(某個進(jìn)程)。在寫信的時候，我們寫上目的地的端口。當(dāng)信到達(dá)目的地的管理員手中，他會根據(jù)傳輸層協(xié)議，識別端口號，將信送給不同的人。

TCP和UDP協(xié)議是兩種不同的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議類似于我們的信件交流過程。TCP協(xié)議則好像兩個情人間的頻繁通信。一個小情人要表達(dá)的感情太多，以致于連續(xù)寫了好幾封信。而另一方必須將這些信按順序排列起來，才能看明白全部的意思。TCP協(xié)議還有控制網(wǎng)絡(luò)交通等功能。

通過上面的幾層協(xié)議，我們已經(jīng)可以在任意兩個人(進(jìn)程)之間進(jìn)行通信。然而每個人實際上從事的是不同的行業(yè)。有的人是律師，有的人外交官。比如說律師之間的通信，會用嚴(yán)格的律師術(shù)語，以免產(chǎn)生糾紛。再比如外交官之間的通信，必須符合一定的外交格式，以免發(fā)生外交誤會。再比如間諜通過暗號來傳遞加密信息。應(yīng)用層協(xié)議是對信件內(nèi)容進(jìn)一步的用語規(guī)范。應(yīng)用層的協(xié)議包括用于Web瀏覽的HTTP協(xié)議，用于傳輸文件的FTP協(xié)議，用于Email的IMAP等等。

 外交通信

總過網(wǎng)絡(luò)分層，我們從原始的0/1序列抽象出

本地地址(郵差)、郵編(郵局)、收信人(管理員)、收信人行業(yè)(用語規(guī)范)

這些概念。這些概念最終允許互聯(lián)網(wǎng)上的分布于兩臺計算機(jī)的兩個進(jìn)程相互通信。

寫信人必須按照各層的協(xié)議，封裝好整個信封 (encapsulation)；而收信人則按照相反的順序，來拆開這個信封。整個過程是可讀信息 -> 二進(jìn)制 -> 可讀信息。計算機(jī)只能理解和傳輸0/1序列，而計算機(jī)的用戶則總是輸入和輸出可讀信息。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議保證了可讀信息在整個轉(zhuǎn)換和傳輸過程中的完整性。

計算機(jī)協(xié)議本身還有更多的細(xì)節(jié)需要深入。這篇文章只是從分層的角度描述各個層次所實現(xiàn)的功能。 

最新評論