熟悉又陌生的TCP/IP
TCP/IP协议的诞生
说到 TCP/IP协议 我相信各位光头们并不陌生，那他怎么变得如此流行的，我想有个很重要的原因，刚好生在他应该诞生的时机。
期初，军用方面的应用，需要进行信息的交换，所以有一套这样的网络：
这样就有一个问题，如果中心节点被敌人偷袭了，那么整套军用系统就全部瘫痪。那为了防止这种事情的发生，我们可以多加几个中心节点：
这样的话如果中心的节点被袭击了（变成红色表示故障），那么其他计算机还可以通过比较远的输送距离将数据传达到彼此。
这种网络，叫做 Advanced Research Projects Agency Network 阿帕网，其实这个翻译完全覆盖了他的意思，英文翻译过来应该是 可重新查找项目的网络。
那么这个网络，由于连接的不稳定性，就需要有一个协议来保证传输的完整，那么这个 阿帕网 中的一些研究机构，就研究出了 TCP/IP协议。这时候，他还没那么流行。这时候很多大学和研究机构开始使用一款叫做 BSD UNIX 的操作系统，由于这套系统中实现了 TCP/IP协议，并且随着互联网的发展，这个系统受众越来越多，这就导致了很多网络设备供应商不得不去适配 TCP/IP协议，所以到如今才使 TCP/IP协议 的应用变得如此广泛。
TCP/IP协议的内容
TCP/IP协议 并不单单只是包含 TCP 和 IP 两个部分，其实他是一个族：
- 应用协议：HTTP、SMTP、FTP、TELNET……
- 传输协议：TCP、UDP
- 路由控制协议：RIP、OSPF、BGP……
- 网络协议：IP、ICMP、ARP……
每一部分内容单独拎出来都是一大块的内容。
其二，他与 OSI七层模型协议 不同，但是有其对应的地方，引用一张图（via 《图解TCP/IP》)
可以看出，OSI七层模型协议 被简化了很多东西：
- 数据链路层（包含网卡+电缆）：这一层肯定必不可少的，不然没有通电就无法传输数据，其中的网卡 MAC地址 会被用来确认当前接收的数据是否需要交给本机进行处理，如果跟当前本机的 MAC地址 不相符合，那么传送过来的数据包将会被抛弃掉；
- 互联网层：IP，在上面说 OSI七层模型协议 的时候我们有说过，当 数据链路层 接收到数据的时候，此时还不能确定数据包就是当前机器需要接收的数据包，还需要判断 IP地址 是否指向本机，我们知道一台机器我们是可以在操作系统上面指定分配多个 IP地址 的，如果判断是的话紧接着将数据上送给传输层；
- 传输层：传输层我们通常需要指定数据需要到达的端口，现代计算机一般都是同时运行好几个程序，更别说端口占用的那就更加多了，端口刚好就是可以指定数据要交给哪个应用程序进行处理的方式。除了端口的作用，还有保证数据是否需要判断接收成功失败的作用，比如 TCP协议 或者 UDP协议；
- 应用层：在 TCP/IP协议模型 中，将之前所说的 应用层、表示层、会话层 都集中在这一层中进行处理，如果开发过 Netty 相关项目的同学就知道，我们通常需要处理 粘包 丢包 等问题，如果有时候需要加快传输速度但又不允许丢失数据的时候，通常需要 UDP协议 + 我们自己的校验 去验证数据是否传输完整。常见的应用层协议有：HTTP、FTP、SSH、SMTP 等；
那么数据是怎么流动的呢，跟 OSI七层模型协议 模式是一样的，不过不需要包 七层 的头部数据。
在这里我们通常只需要应用将数据进行包装，然后以一定的编码进行处理（通常是 UTF-8）交给 传输层；
然后 传输层 将会根据不同的协议（一般是 TCP 或者 UDP）将我们的应用数据再包上一层协议本身的 Header；然后交给 互联网层，互联网层 则再包上 IP头 将数据交给 数据链路层，注意了，在这一层，如果尚未知道下一层所需要的 MAC地址 的话，会利用 ARP（Address Resolution Protocol） 进行对端的 MAC地址 查找，然后再交给下一层；
数据链路层 则是包上相关的 MAC地址 信息，然后交给驱动进行网卡适配，然后发送数据。
最后数据将会被包成这样发出去（via 《图解TCP/IP》)：
而接受数据方面：
- 数据链路层 接收到数据以后，会判断 头部 的 Header 是否是给自己的，如果不是则会抛弃数据，有时候收到的不是 IP数据包 而其他协议，则会相对应的交给对应的模块进行处理（例如：ARP 协议）；
- 互联网层 也跟 数据链路层 处理方式相似，但是如果接收端的地址与本机地址不符合的话，会借助路由器的 路由控制表，调查下一个应该到达的主机或者其他设备以后将数据进行转发；
- 传输层 则会对接收到的数据进行校验，并且根据接收到的数据包的序列化重新排序，交给对应端口的 应用层 进行处理，同时通知 发送端 告知数据已经接收完成，如果这个接收通知不能到达 发送端 则 发送端 会不停的重发数据直到被告知数据接收完整；
- 应用层 这方面就太熟悉了，可以正确接收正确处理，也可能引起一些其他协议方面或者业务方面的错误，从而处理出现异常，比如我们常常遇到的 404 Not Found。
OK，那现在开始先从低层架构开始了解。
数据链路层
数据链路层对于我们开发来说其实不是特别重点，所以只需要简单的了解一些基础内容即可。
主要作用
数据链路层其实就是连接世界上所有计算机的基础，我们了解到，其实计算机的机器码是 1 和 0，那么人们发现这个跟电路中的 正 和 负 可以对应起来，所以我们就可以使用电平的 正 和 负 来表示机器码信息，从而利用电路等物理介质将计算机信息传递给另外一台计算机。（如果是光纤则可以使用 亮 和 灭 这两种信号来表示 1 和 0）
然而，物理层也不是单纯的发送 1 和 0 信号，而是把这些数据通过一定的规则，集合起来，作为 帧 去发送数据（帧 的内容会在后面细说）。
连接拓扑
一共有四种连接的拓扑方式：
1. 总线型
就是中间一条总的网线，然后在不同的接口处连接计算机，这种方式应该算是比较古老的，如果总线某一段发生故障的话，那么被影响的计算机也不确定。
2. 环形
环形中的计算机并不相互连接，那么如果我们发送数据到不连接的计算机的时候，就需要其他计算机来参与传送。比如说，将数据从 A计算机 发送到 C计算机，那么数据得先发送给 B计算机，然后 B计算机 再判断数据是否是给我这个网卡的（利用 MAC地址），如果不是，则顺着网线传输给下一台计算机 C。这时候 计算机C 才算是接收到数据。但是如果这个过程中，计算机B 发生了故障或者硬件支撑不住的话，那么 计算机C 接收数据将会受到影响。
3. 星型
这种方式应该是目前最流行的方式了吧。无论是办公室或者网吧等等，都可以使用这种连接方式。每台计算机只要专注自己要做的事情即可，不用管其他的问题。但是有个最主要的点就是需要保证中央集线器的正常运行，如果中央集线器挂了，那么所有计算机都无法进行数据的传输。
4. 混合型
顾名思义，混合不同的连接方式，这种可以根据我们的日常工作需求，用于降低计算机连接成本，当然按照目前硬件的价格低廉的特性，一般都是使用 星型 的架构来混合。
以上几种方式的计算机连接是 网线 中布局的方式，先简单的记忆即可，然后我们来看看微观的数据是怎么传送运输的。
MAC地址
用于与网络连接的设备，诸如 网卡、无线LAN、蓝牙模块 均拥有 MAC地址。MAC地址 是由生产该设备的厂家规定的，并且烧录到硬件设备的 ROM（Read Only Memory） 中。任何网卡的 MAC地址 均是世界性的唯一的（类似于我们的身份证）
而世界性唯一这个性质也不是说就是绝对的，如果两个相同 MAC地址 位于不同的数据链路中，那么他们一般也不会相互影响到。比如中国的网卡 和 美国的网卡，共用了一个 MAC地址 通常来说除非这两台计算机组成了一个什么虚拟云才会相互影响，不然一般都可以正常的工作。
MAC地址 一共 48位。
不同的位数表达不同的内容：
- 第 1 位：0表示单播地址，1表示多播地址；
- 第 2 位：0表示全局地址，1表示本地地址；
- 第 3 - 24 位：由 IEEE（美国电气和电子工程师协会） 管理并且保证各个厂家之间不发生重复；
- 第 25 - 48 位：由厂家管理保证产品之间不重复。
然而在这里我感觉得先弄清楚 比特位 和 字节 之间的区别：
比特位：由 0 和 1 两种信息表示，比如 101010 则拥有 6 个位
字节：一般情况下，1个字节有 8 个比特位，比如 10101010 表示 1 个字节
所以这里的 48 位表示 6 个字节数。
而 数据比特流 在网络中的流动顺序，是按照 每一个字节 倒序传输的，一个图解释：
1 | 这是我们要传输的数据：0 0 0 0 0 0 0 1 | 1 0 0 0 0 0 0 0 |
那么我们的数据已经来到了目前计算机的网卡了，接下来肯定就要进入介质了，所以我们来看看介质的传输过程。
介质传播数据
介质传播的分类，我们可以按照上面 拓扑连接 来进行简单的分类：
共享介质型网络
共享介质一般出现在 总线型 和 环形 的拓扑连接方式里面，总线型 就是多台计算机共享一个网络传输介质（多为网线）的方式，那么这种工作方式就出现了一种问题：需要争抢共享的资源。所以这种方式是一种 半双工 的工作方式（就是说只能单独处理发或者收）
如图，在某个时刻，计算机B 需要传输数据给 计算机C，那么他会观察总线上是否有数据正在传输，而此时并没有数据进行传输，所以他就占用了总线这个资源，向其他计算机分别发送了数据包。
此时其他数据包接收到数据包的时候，就需要判断数据包包含的 MAC地址 是否指向了当前计算机的 MAC地址，如果不是，则将数据进行丢弃。而 计算机C 接收到数据包后，判断是 MAC地址 指向了自己，所以就开始处理数据。
而如果 计算机B 在发送数据的时候，计算机C 也需要发送数据的话，就需要主动放弃数据，释放载波信道，等到 总线 中的电压稳定以后，再重新发送数据。
而另外一种 共享介质 的拓扑结构就是环形结构，为了有效提高数据的传输效率，提出了令牌的说法，即在环形中所有的计算机如果需要发送数据，则需要先获取令牌才可以向其他计算机发送数据：
以上两种方式看起来都是蛮老的技术了，简单分析就可以知道，网络的利用率很低。所以衍生出了下面这种方式。
非共享介质型网络
非共享介质 的网络则采用一种设备：交换机。交换机可以单独连接不同的计算机，然后计算机都是可以通过 全双工 的方式进行数据传输的。交换机本身拥有一些功能，可以将数据缓存，然后自动的判断闲时，将数据发送给对应的计算机。
计算机A 发送的数据中会标明 原地址为A目标地址为C，交换机拿到这条数据以后，只要根据 目标地址 的标签来发送数据就可以了。这样就可以很明显的提高网络的传输效率。
现代的交换机都会带有 自学习 的功能，也就是自学哪个端口连接了哪台计算机，MAC地址 是多少，这样就可以很高效的对数据进行转发。相当于已经自带路由表。
VLAN
这一层属于软件层面上的管理了。意思是即使在一个区域内，计算机都连接到同一个交换机上，我们也可以通过软件管理，将这些连接的计算机根据我们自己的日常需求，划分为不同的子网段。这样做的好处就是，即使我们的日常计算机发生了功能上的变更，管理员不用去更改网络拓扑的结构，只需要在软件层面上对这部分计算机进行网络功能的划分即可。
即使是两个 交换机，也可以组成同一个网段：
即使两台 交换机 连接的不同计算机，也可以通过网络管理组成在同一个网段中。
以太网
我们前面的内容基本说的是一个局域网的连接，那如果需要访问远程的资源，我们就需要一个网络，称为 以太网（Ethernet） 了。而以太网可以说就是使用多个 交换机 连接在一起，成为一个很大的 局域网。每一个以太网连接着多台计算机。每台计算机又运行着不同的 WEB程序。这样我们需要不同业务需求的时候比如 买票 发邮件 只要通过网络到达能够实现功能的计算机即可。
而不同的以太网版本，又有不同的物理实现方式（via《图解TCP/IP》）：
而如果需要延长距离的话，则需要加上之前说过的设备：中继器 或者其他可以放大信号的设备。
以太网帧格式
以太网帧以一个叫做 前导码 的数据开始，这个 前导码 占用 8字节（64位） 空间，以 1010... 的形式开始，而使用 11 这两位结束 ，比如：
1 | 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011 后面紧接着帧本体（14字节） |
帧本体占用 14字节，前 6字节 记录 目标MAC地址（上面说了MAC地址是48位数），紧接着 6字节 记录 源MAC地址，然后 2字节 记录上层协议类型，帧尾则以一个 4字节 的叫做 FCS（Frame Check Sequence） 的数据进行结尾（类似于我们的 MD5 验证数据的完整性），用于目标机器验证数据是否完整或者是否遭到破坏。
所以一个完整的帧：
那我们可以计算得出，一个 以太网帧 能够传送 70-1524 字节的数据（每一位做什么事情都被安排的明明白白），大概是 1.5m。但是需要除去一些必要的头部信息，所以其实留给应用程序的空间并不是很多。
上面只能算是一个 通用的帧格式，而如果根据协议的不同（比如 VLAN 还会重新规划），则会大概的重新规划 协议 和 数据 这两部分的空间利用。目的当然是为了提高网络的传输速率。
哦对了，协议我们常见的编码对应是（via《图解TCP/IP》）：
这里是 16进制 注意需要转换成 2进制 的，比如 IP 对应的 0800，转换成 2进制 则是 00001000 00000000。
无线通信
这部分其实还是蛮好理解的，我们只需要提供一种设备用于接收 电磁波 或者无线信号，然后转成以太网的格式即可介入以太网。
常见的电磁波信号（via《图解TCP/IP》）：
分层结构（via《图解TCP/IP》）：
这里有个冷知识：微波炉使用的是 2.4GHz频段 的微波，如果在一台正在工作的微波炉旁边，我们的路由器设置 2.4GHz频段 的话，则传输数据的信号会受到干扰。
PPP（Point-to-Point Protocol）
PPP协议 可以解决一系列的问题：验证你有没有交费、给你分配一个网络IP等问题，所以一直是 ISP 用来提供给用户上网的一种形式。
我们打开 宽带连接，点击连接的时候，通常是把用户名和密码进行压缩发送给 ISP 进行验证，然后 ISP 会分配一个 IP地址 给到客户端，然后我们客户端就可以网上冲浪了。
连接过程（via《图解TCP/IP》）：
说完了 链路层 的事情以后，我们可以上升一层了，来说说 IP 的事情。
下一节再说。