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：
以太网规协议定，接入网络的设备都必须安装网络适配器，即网卡;
数据帧必须是从一块网卡传送到另一块网卡，网卡(MAC)地址就是数据帧的发送地址和接收地址;
MAC（Media Access Control） 地址，是每块网卡的身份标识，具有全球唯一，采用十六进制标识，共 6 个字节， 前三个字节是厂商编号，后三个字节是网卡流水号。
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]。
从这点上讲数据帧比快递靠谱多了，每次快递包出了问题都要自己主动去追问我快递哪去了... 😓
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。
行话：主机首先判断本机 IP 地址和目的 IP 地址是否处于同一网段。如在同一网段，假设发送主机的 ARP 表中并无目的主机对应的表项，则发送主机会以目的主机 IP 地址为内容，广播 ARP 请求以期获知目的主机 MAC 地址，而只有目的主机接收到此 ARP 请求后会将自己的 MAC 地址和 IP 地址装入 ARP 应答后将其回复给发送主机，发送主机接收到此 ARP 应答后，从中提取目的主机的 MAC 地址，并在其 ARP 表中建立目的主机的对应表项(IP 地址到 MAC 地址的映射)，之后即可向目的主机发送数据，将待发送数据封装成帧，转发至本网段内的目的主机，自此完成通信。如不在同一网段，发送给交换机转发处理。[^注 4]
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...
在路上，可能被防火墙拦了；可能路由器堵了；可能对方掉线了；可能被狼叼跑了...
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：
如何建立连接和断开连接？
我发的数据帧，如何确认对方已成功接收？
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？
A: 因为 2 次靠不住，4 次属于脱裤子放屁。（话糙理不糙啊）
(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？
A: 因为 TCP 通信是双向的。我没啥传了(1 次)，你确认(2 次)；你也没啥传了（3 次），我也确认（4 次）。至此连接才可以完全断开。
(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？
A: 先不说建立断开连接就要 3 次握手 4 次挥手；为了确认一个包正确到达，又要回执，又要重复发包，还要考虑对方是否掉线... ；还有很多很多本文没介绍的慢启动、拥塞控制、滑窗机制... 操这么多心，开销能不大么。 😂
Q: TCP 这么牛逼，还要 UDP 干啥？
A: 因为 UDP 快啊。如果对稳定性不那么看中(比如看电影，丢一帧两帧的无所谓)，传输更快它不香么？尺有所短寸有所长嘛。PS:HTTP3 就是基于 UDP 而不是 TCP，有兴趣可自行搜索阅读。
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？？😕
TCP 对字节流的内容不作任何解释。TCP 不知道传输的是二进制数据，还是 ASCII 字符、EBCDIC 字符或者其他类型数据。
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]
[^注 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。
[^注 2]: 校验原理可参考： crc 计算和原理，非网络工程师不必深究。
[^注 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。
[^注 4]: 如果行话看着太累，跳过即可。
[^注 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。
参考资料
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【追谏】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/8e79e8a563ce83d765e85d47c】。文章转载请联系作者。
我有一把好剃刀。 2018.06.15 加入
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