这可能是史上最易懂的计算机网络科普文

导读

目标：建立对计算机网络基础的整体认知

预计阅读时间：15min

适用群体：

• 被广域网，局域网，网桥，网关，交换机，子网掩码等各种名词困扰的萌新；
• 啃《TCP/IP 详解》等教科书啃到哭的苦逼工程师；
• 正在准备面试的求职者。^注1

首发于：计算机网络基础(0门槛)

Before We Start

忘掉脑中零碎的概念、认知，让我们从最简单的地方开始。

物流？数据流？

快递包这样走：

数据帧这样走:

快件是快递运输的基本单位，片区内住户可以直接互送快件；每个片区有一收发点，外来快递由收发点统一派送，送往外部的快递，由收发点统一转发给上级集散站；每个集散站负责多个片区，集散站之间进行快递转发，并把属于自己片区内的快递分发给对应收发点。

数据帧是网络传输的基本单位，网段内主机可以直接相互通信；每个网段有一交换机，外来数据帧由交换机广播给所有主机，发往外的数据帧，由交换机统一转发给上级路由器；每个路由器负责多个网段，路由器之间进行数据帧转发，并把自己负责网段内的数据帧分发给对应的交换机。

认识快递包数据帧

一件完整的快递至少包含：收件人地址、收件人手机，发件人地址、收件人手机，被寄送物件。

数据帧跟快递真的很像 ? ?...

• 目的 MAC => 收件人手机

• 源 MAC => 发件人手机

• 目的 IP 地址 => 收件人地址

• 源 IP 地址 => 发件人地址

• 数据 => 被寄送物件

一个完整的数据帧如下所示：

这里需补充一点基础知识：

另外数据帧多了个帧校验序列，其作用是让接收数据帧的网卡或接口判断该数据帧是否发生了错误 ^注2。

数据帧传递

发件人要发物件，先看收件人跟自己是否在同一小区， 如是，直接给他；不是，那就交给收发点转发。

主机要发数据帧，先检查目标主机跟自己是否在同一个网段^注3。是，直接把帧丢给对方；不是，就交由交换机转发。

传输要可靠，管杀还管埋

上面介绍了数据帧如何从一台主机传到另一台主机，不过主机上有很多程序，数据帧过来后给谁用？

在数据前面加上端口吧，哪个程序用了这个端口，就把数据丢给谁。

这就是 UDP。 通过 UDP，我们实现了应用程序间的数据传递。

但还有问题，快递都会丢件，数据帧想顺利传过去也不那么容易...

如何保证数据帧传递到位？这就要聊聊TCP了。

为了确保传输通信可靠，至少要解决三个问题：

1. 如何建立连接和断开连接？
2. 我发的数据帧，如何确认对方已成功接收？
3. 一方掉线了怎么办？

1. 建立/断开连接

建立连接通过 3 次握手，断开连接通过 4 次挥手。

Q:为啥握手要 3 次？

(图片来源于网络，如侵权请联系作者删除。)

Q: 为啥要挥手要 4 次？

(图片来源于网络，如侵权请联系作者删除。)

2. "回执"机制

TCP 约定：

发出端发出一包后，会启动一个定时器，等待目的端发回“回执”。如没及时收到“回执”，将重发这个包。

目的端收到一个包后，会发一个“回执”，告诉发出端我收到了。

回执也是个数据帧，一个“回执”专门发一次，是不是有点浪费啊。。。

TCP 很鸡贼，它约定接收端不会立刻发送“回执”，而是先等等(一般 200ms 左右)看发送端有没有请求数据。要是有，就把“回执”塞到对方需要的数据里，一起发回去；要是没有，就专门发一个“回执”。

3. 重置机制

TCP 设计了一套重置机制，专门处理断线、数据帧错误等问题。

如果接收方掉线了，你再重复多少次发送，对方也不会有响应。所以，TCP 默认 重传 5 次(次数可自行设置)依然失败，就重置这个连接。

如果某一方觉得对方或对方发来的数据有问题，也可以随时主动触发连接重置，以保障通信稳定和正确。

Q:为啥说 TCP 开销大？

Q: TCP 这么牛逼，还要 UDP 干啥？

把数据用起来

感谢 TCP、感谢 IP、感谢 MAC，终于把数据安全的从一个程序传递给另一个程序了！！

但这坨数据怎么用？他是图片？视频？文本？彩蛋？还是啥玩意？？?

显然，这需要两端的程序约定好用啥协议，传的是个啥，该怎么处理... 等等。

怎么办？在数据头上拼好这些信息呗 ~ 这就是 HTTP、POP3、SMTP 这些协议干的事儿了。

最后让我们看看从数据到一个完整的数据帧的包装过程：

结尾

等等啊喂，协议讲了这么多连 OSI 七层模型也不介绍？

不止这些，广域网、网桥、网关、ARP、DARP、IP 协议、路由协议之类的，都没介绍，如无必要，勿增概念。^注5

参考资料

TCP/IP 协议族到底怎么回事

你了解快递就能明白什么是路由器和交换机

TCP/IP 详解

以太网发展史

有了 IP 地址，为什么还要用 MAC 地址？ - 你好啊世界的回答 - 知乎

子网、局域网、网段的关系

1. 笔者当前工作于 神策数据·营销云。如希望内推，请将简历发送至anzhen@sensorsdata.com。↩
2. 校验原理可参考： crc 计算和原理，非网络工程师不必深究。↩
3. 具体方式是将两个 IP 地址分别与本机子网掩码作按位与操作，结果一致则在同一网段，否则两者分别位处不同网段。↩
4. 如果行话看着太累，跳过即可。↩
5. 偷自“如无必要 勿增实体”。笔者认为学习应先关注问题本质及核心解决思路，在学习解决方案及衍化的过程中逐渐理解概念和细节不迟。↩