从 IP 到 IP，聊聊计算机网络中那些“没用的”知识
The following article is from 神光的编程秘籍 Author 神说要有光
web 开发离不开计算机网络，计算机网络很重要，但不是所有的网络知识对软件开发都是有用的。
我们知道，网络是分层的，OSI 体系中分了 7 层，但实际上使用的 TCP/IP 体系中分了 4 层，学习的时候为了方便，我们还是把物理层、数据链路层分开学的，所以是 5 层。
开发时我们会用 IP、TCP、HTTP 等协议来完成计算机之间的通信，网页运行时还会涉及到 DNS 等协议，这些协议都是在网络层之上的，也就是基于 IP 到 IP 的传输来完成各种协议的数据通信。
那之下的部分呢？IP 到 IP 的通信是如何实现的？
这就涉及到物理层、数据链路层还有网络层的知识了，这些知识对实际的开发没啥用，因为代码里已经默认了 IP 和 IP 之间是可以通信的，但是了解这些可以让我们对网络有一个全面的理解。这部分涉及到网络硬件、涉及到通信原理，还是挺有意思的。
这篇文章就浅谈下 IP 和 IP 之间的通信的知识。
不同类型的网络
把不同的计算机连接起来，可以做数据通信，可以共享软件、硬件，这就叫做计算机网络。
这种连接方式有很多种，自然也就有不同的网络。比如拨号上网，是利用电话通信的网络来传输数据的，就像打电话一样，所以叫拨号，只不过传输的数据不是通话数据。比如卫星上网，是利用卫星信号来传输数据，这也是一种网络。
这两种都是用的现有的网络来实现计算机通信。而我们自己组建的网络都是用网线连接的，这种是最常见的网络。
比如这样：
这种通过一根线把所有的计算机连接起来的网络连接方式叫做以太网。
在讲以太网之前，不知道大家是否已经感受到了网络分层的好处：
不管是利用电信网络的拨号上网，还是利用卫星通信的卫星上网，或者是用网线连接起来的以太网，这些不同结构的网络都能很自然的融合在一起，就是因为做了很好的分层，只要实现了 IP 协议，那么不管网络是怎么实现的，都能实现更上层协议的通信。
这就像软件开发领域的面向接口编程的思想，只要你能实现 IP 到 IP 的通信，不管你是怎么传输的数据，都可以。
电信和卫星的网络不咋用关注，我们还是继续讲以太网：
多台计算机已经用网线连接起来了，那怎么通信呢？
直接通过这条网线传递数据就行，只不过现在是一个发其余的都能接收到，要让目标计算机能接收，那就得标识下目的地址是啥，所以以太网的数据帧格式是这样的：
除了数据外，额外加上了目的地址、原地址等信息。
这样每台计算机接收到网络传过来的数据之后，判断下是否目的地址是自己，是就接收，否则丢弃。这样就实现了网络通信。
这就是一个网络了？就这么简单？
这确实是一个小型网络，但还不完善。如果多台计算机同时发消息怎么办，数据不就混在一块了？
所以要做是否冲突的检测，现在以太网用的方式是这样：想要通过网络发消息时，先检测下网络中有没有电信号，没有的话就发，有的话就等待 1.x 秒，x 是随机的，如果到了时间还有冲突，那就等待 2.x 秒、4.x 秒、8.x 秒，通过这样的方式来避免冲突，实现准确的通信，这叫做“指数退避”。
这样确实不会冲突了，但是还有问题，如果计算机连了很多，虽然能准确的通信，但时不时就冲突的话效率也太低了。
能不能减少冲突呢？
连在一起的以太网的计算机因为是广播通信的，所以可能可能冲突，这叫做一个“冲突域”。如果能把大的冲突域给拆小，那不就能减少冲突的概率了？
这就是交换机做的事情了：
几台电脑之间加一个交换机来隔开，这样传输消息的时候，如果是同一个小网段内的通信，会直接传给目标计算机，不会传到其他网段里去，本网段没有该 mac 地址的时候才传到其他网段，这样就把大的网络分成了一个个小的网段，减少了冲突的概率，提高了网络传输效率，这就是交换机的意义。
这样，我们就组建了一个以太网。
互联网
现在一个个的网络都是分散的，不管是以太网，还是用电信网络连接的网络，或者是卫星连接的网络，那自然有需求把这些分散的网络给连接起来，这就是互联网，也就是把网络连接起来的网络。
互联网也有很多，比如军队的各种网络会建立一个互联网，教育的各种网络会建立互联网，互联网和互联网之间还可以连接，最大的互联网就是因特网 internet，大到全世界的很多网络都会连入的那种。但也有的互联网是不接入 internet 的，比如军用的互联网。
那这些网络之间是怎么标识和连接的呢？
标识网络自然就需要编号，并且网络内的主机也需要编号，也就是需要指定网络号 + 主机号，这就是 IP 地址。
IP 地址最开始是 32 位的，叫做 IPv4（后来扩充成了 128 位的，叫做 IPv6）。
比如这样就是一个 IPv4 的地址：
11010010010010011000110000000100
为了好记，我们把它分为了四段，每段 8 位，就成了这样：
210.73.140.2
这分为 4 段的 32 位地址里有网络号也有主机号。如果把第一段当作网络号，那剩下的三段就是主机号，可以标识 1600 多万台计算机，如果把前两段当作网络号，那可以标识 6 万多台计算机，如果把前三段当作网络号，那只有最后一段用于标识主机，可以标识 254 台计算机。这样就分为了 ABC 三类网络。
讲完了 IP 地址，再回来讲最大的互联网 internet。
internet 是连接全球很多网络的互联网，那自然有个主干网，然后下面接入各个国家的网络。每个国家都有专门的接入 internet 的网络提供商（ISP internet service provider），比如中国有联通、移动、铁通等 ISP，由他们接入 internet，我们再接入他们的网络。
那网络之间是怎么连接的呢？
就是通过路由器，路由器连接多个网络，负责根据 IP 地址选择把数据传到某个网络。
很多同学分不清路由器和交换机的区别，其实很好区分：交换机是网络内部隔离冲突域、提高网络效率用的，根据 mac 地址转发消息。路由器是负责在不同的网络之间转发数据，根据 IP 地址确定网络和主机然后转发。
IP 地址里记录了网络号和主机号，所以根据网络号就能确定是哪个网络，那怎么根据主机号确定哪台主机呢？
在这个网络里广播一次不就行了？把 IP 地址传递给网络的每一台主机，如果是自己的，那就返回自己的 mac 地址，这样路由器就知道该把消息传给谁了。这种从 IP 到 mac 地址的查询过程叫做 ARP（Address Resolution Protocol 地址解析）协议。
至此，我们就完成了从 IP 到 IP 的通信，再上面的协议我们就比较熟了，也就是 TCP、HTTP 这些，这些是我们软件开发整天用的协议。
总结
计算机网络是分层的，OSI 体系结构分了 7 层，实际用的 TCP/IP 体系结构分了 4 层，为了学习方便我们还是作为 5 层来看。
分层的好处就是每一层都可以灵活的替换实现方案，比如只要你实现了 IP 到 IP 的通信，不管你是卫星连接的网络、电信连接的网络还是以太网，都可以，对上层的各种协议没影响。
卫星、电话网络等都是已有的网络，我们自己组建的网络一般都是按照以太网的方式，也就是一根网线连接所有计算机的方式，叫做总线式。
以太网内是广播通信的，为了避免冲突，会通过指数退避的方式来发消息，但这会降低传输效率，所以引入了交换机来隔离冲突域，也就把网络分成了不同的网段，交换机遇到同一网段的通信是不会传递到其他网段的，这样就减少了冲突的概率。
网络和网络之间连接起来就叫做互联网，互联网有很多种，全球最大的互联网是 internet，但也不是所有的互联网都在 internet 里，比如军用互联网就不会连入 internet。
internet 有主干网来连接各个国家和地区的网络，每个国家都有负责接入 internet 的互联网服务提供商 ISP，比如中国的联通、移动、铁通等运营商。
网络的标识是通过 IP，也就是网络号 + 主机号构成，然后由路由器负责通过 IP 来做网络之间的数据转发。
路由器实现转发要先根据 IP 种的主机号来查出 mac 地址，对应的查询协议叫做 ARP 协议，也是通过广播的方式实现的。
这样就实现了 internet 上任意两台主机的 IP 到 IP 的通信。
我们平时软件开发时用的 IP、TCP、HTTP、DNS 等协议，都是在这些基础之上实现的。网络层之下的知识，确实对我们开发没啥帮助，但了解下还是挺有意思的。
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