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科普-互联网的-硬核-技术

互联网的构成要素,第一是计算单元,也就是连接的对象,或者称为通信主体,即网络中大量存在的具有独立功能的计算机,两台或两台以上的计算机才能构成网络。第二就是连接计算单元的计算机网,包括通信设备和通信协议。通信设备负责在网络间传输数据包信息,包括交换机、网桥、网关、路由器等设备。而两台计算机要相互通信,就象两个人要相互交流,必须使用共同的语言,这种"语言"就是互联网协议。目前全球互联网主要应用的是TCP/IP协议。

TCP/IP:互联网的第一基因

互联网是个不断发展的网络,但始终不变的就是TCP/IP协议。可以说对于互联网,TCP/IP就像基因一样,甚至可以这样认为:只有采用TCP/IP协议的网络才叫互联网,其他的都不是真正意义上的互联网。

图1 TCP/IP 协议工作原理绘图者Vint Cerf 是TCP/IP 协议发明人之一

TCP/IP是一个协议族,主要包括两个部分,即TCP协议和IP协议,这两个协议在数据传输过程中主要完成以下功能:

1.首先由TCP协议把数据分成若干数据包,给每个数据包写上序号,以便接收端把数据还原成原来的格式。

2.IP协议给每个数据包写上发送主机和接收主机的地址,一旦写上源地址和目的地址,数据包就可以在物理网上传送数据了。IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能。就像寄信一样,不但有清楚准确的寄信地址和收信地址,邮递员还会智慧地选择最快的路径,将信送到收信人手中。

3.数据包可以通过不同的传输途径(路由)进行传输,由于路径不同,加上其它的原因,可能出现顺序颠倒、数据丢失、数据失真甚至重复的现象。这些问题都由TCP协议来处理,它具有检查和处理错误的功能,必要时还可以请求发送端重发。简言之,IP协议负责数据的传输,而TCP协议负责数据的可靠传输。

分层OSI:互联网的"逻辑"哲学

TCP/IP是互联网开放性的通信系统互连参考模型(OSI)的重要组成部分,而OSI则是构建整个互联网大厦的基础模型。互联网结构设计师借鉴了建筑学的"结构"理念,将OSI划分为7层结构,从上到下分别是:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。每一层发挥不同的作用:

物理层很直观,与数据处理没有直接关系,只负责连接计算机与设备或者计算机与计算机,比如网卡与通讯电路的连接;

数据链路层负责保障数据在通信介质上以"帧"的形式传输,并且通过使用物理层地址(如MAC地址)来确认这些数据被发送至何处;

网络层定义了两个终端之间的连接,并为分组数据包选择优化的传输路径;

传输层,为了实现可靠性的通信,该层负责建立、维持释放虚电路,检测并纠正通信链路,提供流量控制服务以防止通信对方数据溢出,传输层隐藏通信实现的细节,向上层提供数据通信服务;

会话层规定了通信开始和结束时发送的数据形式等内容,"会话"是指两个通信系统之间进行逻辑通信,应用数据在该层内建立逻辑上的从传输开始到结束的过程通信链路;

表示层负责定义传输数据所用的压缩方式以及数据的表现形式等;

最后是应用层,我们日常所用的电子邮件SMTP、文件传输FTP、使用Web浏览器浏览网页HTTP等,都是在这一层完成特定目的应用的软件规格定义。

分层结构的优点是显而易见的,首先,人们可以很容易的讨论和学习协议的规范细节;其次,层间的标准接口方便了工程模块化;第三,分层的模式为数据传输创建了一个更好的互连环境,降低了复杂度,使程序更容易修改,产品开发的速度更快;最后,每层利用紧邻的下层提供服务。

窄腰:"神"一样的结构

温登·瑟夫 互联网体系结构的发明人、图灵奖获得者

互联网之所以能够"互联","窄腰结构"功不可没。窄腰结构是基于TCP/IP协议和互联网层级模型实现的独特的互联网体系结构特征。TCP/IP使得互联网能够向下兼容所有通讯手段,向上支持任何应用(如图2)。互联网体系结构的发明人、图灵奖获得者温登·瑟夫指出,互联网在设计之初,就定义了原型必须满足五个条件:第一,互联网不是为任何特殊应用而设计的网络,这是互联网的普适性:像传送明信片一样,语音、视频、IP电话……任何应用都可以在互联网上得到支撑。第二,可以运行在任何通信技术之上,包括电子电路、微波、光纤、无线、3G/4G/5G……。第三,允许在网络边缘创新,不需要为增加任何新的应用和服务而改变网络结构,这就是窄腰结构的优势,基本结构保持不变,应用可以无限扩展。第四,可扩展。互联网需要支持用户规模的持续扩大,现在互联网上连接的用户已经近40亿,IPv4的地址空间不足,因此发展IPv6势在必行。第五,互联网向任何新协议、新技术和新应用开放。

图2 互联网窄腰结构示意

互联网上的应用千变万化,今天互联网领域热议的云计算、大数据、物联网、智能制造、人工智能,以及应用互联网解决行业需求的工业互联网、能源互联网、金融互联网等,中国"互联网+"发展战略定义的13个产业领域互联网,都以互联网为基础支撑平台。互联网在不停的变化、演进、升级、扩展,但互联网的体系结构始终保持稳定,这就体现出了"窄腰"的价值和优势。窄腰的技术结构非常简单,但其厉害之处也恰恰就在于简单,它使人能够在这个"窄"平台上进行任何的创新。你不需要知道数据包走的是哪一条链路,不需要了解路由器的工作状态,也不需要为复杂的处理和传输的过程担忧,就像姚明传球,不需要关心下一个接球的潘长江够不够得着一样。

窄腰结构为互联网打开了创造的阀门。只要你需要就可以有创新的应用来满足你,只要有应用就一定有更高速、更便捷的通信方式支持。互联网之父可能想不出微信、微博、APP这些"古怪"东西,但有了互联网,任何人的智慧都被激发和汇集在一起,构建了今天庞大的互联网生态系统,开放、共享、竞争、创新、迭代,最后沉淀下来的必然都是闪闪发光的"真金"。

(来源:《中国教育网络》2019年5月刊)

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