前言

對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)出身的開發(fā)，往往工作許久對(duì)網(wǎng)絡(luò)還是一知半解。查找文章又常是專業(yè)性極強(qiáng)的說(shuō)明文，讀了又讀，還是難以形成一個(gè)系統(tǒng)的概念。知識(shí)需要框架，讓我們自下而上，一塊聊聊網(wǎng)絡(luò)。

共享局域網(wǎng)

我們都知道計(jì)算機(jī)是通過(guò)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行通信的，但是信號(hào)是如何找到目標(biāo)的呢？

最初的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的方法很簡(jiǎn)單：“共享”！

好比大家坐在一個(gè)屋子，發(fā)言人只要說(shuō)話，大家就能聽到。同樣的道理，只要把所有的計(jì)算機(jī)用“一根線（集線器）”連在一起，這就是一個(gè)簡(jiǎn)易的網(wǎng)絡(luò)；這時(shí)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)如果需要發(fā)消息，只需要把消息發(fā)出去，所有計(jì)算機(jī)就都收到了。

這是最早的網(wǎng)絡(luò)，也叫做“共享局域網(wǎng)”。模型很簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)也很明顯：

• 所有用戶都能收到其他所有人的信息；連接的用戶越多，收到的無(wú)用消息就越多;

• 如果多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致“數(shù)據(jù)碰撞” —— 也就是互相干擾導(dǎo)致發(fā)送失敗，形成一個(gè)“沖突域”；

• 為了避免上面的情況出現(xiàn)，CSMA/CD協(xié)議規(guī)定：同一時(shí)間內(nèi)只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以在“共享局域網(wǎng)”中發(fā)送消息。

以上缺點(diǎn)就好比開會(huì)時(shí)，每次只許一個(gè)人發(fā)言，其他人想說(shuō)話？等當(dāng)前發(fā)言者結(jié)束才行。這就決定了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不能太大，否則用戶越多，等待別人通信結(jié)束的時(shí)間就越長(zhǎng)，效率太低。

這怎么辦呢？

我們可以設(shè)想：如果我們有這樣一臺(tái)設(shè)備，它有多個(gè)端口，每個(gè)端口連一臺(tái)或多臺(tái)電腦，端口之間是隔離的。同一個(gè)端口上的電腦發(fā)消息依然是共享，但如果想要發(fā)消息給另一個(gè)端口上的電腦，就需要通過(guò)這臺(tái)設(shè)備將消息轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的端口。這個(gè)設(shè)備叫做”交換機(jī)“。

這里是一臺(tái)交換機(jī)示意圖，電腦1、2、3處于同一個(gè)共享局域網(wǎng)。1發(fā)消息，2、3都會(huì)收到，如果1想要發(fā)消息給4，就需要交換機(jī)將消息從端口1轉(zhuǎn)到端口2，這樣電腦4、5就接收到了消息；此時(shí)端口3中的設(shè)備不受影響。

這樣就能形成多個(gè)獨(dú)立的“共享局域網(wǎng)**”，**彼此可以同時(shí)獨(dú)立工作，非必要時(shí)不會(huì)互相影響，能有效減少數(shù)據(jù)碰撞的發(fā)生，提高效率。

交換式局域網(wǎng)

通過(guò)交換機(jī)連接形成的網(wǎng)絡(luò)叫做“交換式局域網(wǎng)”。交換機(jī)有多個(gè)端口，每個(gè)端口連接著數(shù)量不等的設(shè)備；每臺(tái)設(shè)備都有著自己的名字（MAC地址）。交換機(jī)將哪臺(tái)設(shè)備連接著哪個(gè)端口都一一”記錄在案“，成為一張“MAC地址-端口表”；當(dāng)一個(gè)設(shè)備試圖發(fā)消息給另一個(gè)設(shè)備時(shí)，交換機(jī)會(huì)根據(jù)“MAC地址-端口表”進(jìn)行查找：如果兩個(gè)設(shè)備位于同一個(gè)端口就什么都不做；如果屬于兩個(gè)不同的端口就將消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；如果是個(gè)沒(méi)有記錄的”黑戶“，就對(duì)所有端口”泛洪“發(fā)送。

這樣在一定程度上擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模；但是，交換機(jī)有很多使用限制，例如：

• 交換機(jī)MAC地址表容量有限，而交換機(jī)如果發(fā)現(xiàn)“MAC地址-端口表”中找不到目標(biāo)電腦，就會(huì)進(jìn)行全部端口的”泛洪“發(fā)送數(shù)據(jù)，可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞。

• 交換機(jī)端口數(shù)量有限，大型網(wǎng)絡(luò)需要交換機(jī)互聯(lián)，但大規(guī)模交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、監(jiān)控和安全管理也較為復(fù)雜。 

廣域網(wǎng)

數(shù)量眾多的局域網(wǎng)通過(guò)各種方式連在一起就形成了廣域網(wǎng)，比較常見的連接方式是通過(guò)路由器進(jìn)行連接。交換機(jī)可以接入路由器，路由器又連接其他路由器等設(shè)備，網(wǎng)上的所有設(shè)備都是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

與交換機(jī)類似，路由器也有多個(gè)端口，內(nèi)部也存儲(chǔ)著一個(gè)”小本本“——路由表。路由表上記錄著到達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路線圖。你想要訪問(wèn)的任何設(shè)備的IP如果在路由表中能找到，路由器會(huì)算出到達(dá)該目標(biāo)要經(jīng)過(guò)的最佳”網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)路線“，然后將信息傳遞給下一個(gè)路由器，下一個(gè)路由器以同樣步驟向下傳遞。這樣，路由器通過(guò)”口口相傳“，直到將信息送到目的地。

如上圖所示，電腦4如果想要發(fā)消息給電腦5，首先將消息發(fā)給路由器4，路由器4通過(guò)路由表查到路線應(yīng)為 “路由器1->路由器2->電腦5”，然后路由器4將消息轉(zhuǎn)給路由器1。

與普通的交換機(jī)通過(guò)MAC地址尋址方式不同的是，路由器是通過(guò)IP地址在網(wǎng)絡(luò)中查找目標(biāo)，而根據(jù)IP地址查找的效率要高很多。

IP地址

目前常用的IP地址是由4個(gè)0~255的整數(shù)數(shù)字表示的，例如：192.168.0.1。如果有人說(shuō)他的IP地址是192.168.10.256，那肯定是錯(cuò)的。

為了方便尋址，每個(gè)IP地址都包含了兩部分：網(wǎng)絡(luò)號(hào)與主機(jī)號(hào)，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)使用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，每個(gè)主機(jī)都有自己的主機(jī)號(hào)。網(wǎng)絡(luò)號(hào)將設(shè)備分了組，尋找一臺(tái)設(shè)備先根據(jù)他的IP找到他所在的組，就能大幅縮小搜索范圍。

以下是常見的3種網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：

由于IP是用4個(gè)0-255的數(shù)字表示的，最多可以表示255*255*255*255臺(tái)設(shè)備，大約是42億，但實(shí)際可用的地址比42億要少。而手機(jī)、電腦、路由器、交換機(jī)、監(jiān)控?cái)z像頭等大大小小的設(shè)備都需要IP地址并且設(shè)備數(shù)量還在不斷增多，IP地址早就已經(jīng)不夠用了。

其實(shí)很早之前人們就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)趨勢(shì)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，想出了一種方案：大網(wǎng)再分割成小網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)小網(wǎng)中的IP可以自行劃分管理，跟大網(wǎng)的IP互不干涉；好比原本用0-9最多能表示10個(gè)人，現(xiàn)在改為表示10個(gè)分組，每個(gè)分組可以再劃分10個(gè)編號(hào)；這樣不就能表示100個(gè)人了嘛。

子網(wǎng)掩碼

根據(jù)上面的方案，我們可以將大網(wǎng)的主機(jī)號(hào)范圍通過(guò)特別的規(guī)則繼續(xù)劃分成子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)+主機(jī)號(hào)。

可以這樣簡(jiǎn)單理解：編號(hào)“9527”原本只能表示一個(gè)人，現(xiàn)在我們?cè)诰幪?hào)后增加一個(gè)數(shù)字，范圍是1~3，如：“9527/1"表示“9組527號(hào)”；“9527/2”表示“95組27號(hào)”；“9527/3”表示“952組7號(hào)”。

增加的這個(gè)數(shù)字對(duì)編號(hào)9527進(jìn)行了“二次劃分”，將其分割成了兩部分：組別+編號(hào)。原本只能表示一個(gè)人的編號(hào)“9527”現(xiàn)在可以用來(lái)表示3個(gè)人，并且還分了組：“9527/1"跟“9528/1"都是9組，“9527/1"跟“9527/2"就分屬9組跟95組......

子網(wǎng)掩碼就可以簡(jiǎn)單理解為上面這個(gè)增加的數(shù)字，他將大網(wǎng)IP的主機(jī)號(hào)范圍二次分割成子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)+主機(jī)號(hào)?，F(xiàn)在大網(wǎng)就叫做“公網(wǎng)”，子網(wǎng)就叫做"內(nèi)網(wǎng)"，我們常說(shuō)的“內(nèi)網(wǎng)IP”就是在子網(wǎng)中獨(dú)立劃分管理的IP，是無(wú)法拿到公網(wǎng)中使用的，而各個(gè)子網(wǎng)中的IP是獨(dú)立劃分管理的，因此可以彼此相同，互不干擾。

子網(wǎng)掩碼使得IP地址緊張問(wèn)題得到了有效緩解。

域名

我們上網(wǎng)，實(shí)際就是在訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中不同的服務(wù)器。無(wú)論是刷網(wǎng)頁(yè)，還是搜索我們想要的信息，實(shí)際都是在向網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)服務(wù)器的發(fā)送消息請(qǐng)求，服務(wù)器收到我們的請(qǐng)求，將我們需要的信息發(fā)送給我們。那么我們的消息是如何到達(dá)對(duì)應(yīng)的服務(wù)器的？

服務(wù)器也是電腦，也有自己的IP地址；訪問(wèn)一臺(tái)服務(wù)器需要知道他的IP地址，但是IP地址太難記了，人們?yōu)榱朔奖阌洃洠瑒?chuàng)造了“域名”。我們所熟悉的網(wǎng)址http://www.baidu.com/xxx，其中的www.baidu.com就叫做域名，每個(gè)域名都有其對(duì)應(yīng)的IP地址，“域名-IP表”則存在域名服務(wù)器上。

當(dāng)我們?cè)跒g覽器上輸入網(wǎng)址http://www.baidu.com/xxx時(shí)，瀏覽器會(huì)自動(dòng)解析出域名www.baidu.com并去“域名服務(wù)器”上查找其對(duì)應(yīng)的IP地址，然后再去該IP地址的服務(wù)器上獲取我們需要的資源，這樣我們就完成了愉快的“網(wǎng)上沖浪”。

結(jié)束語(yǔ)

上面的例子都是大幅簡(jiǎn)化后的模型；經(jīng)過(guò)多年的演化，互聯(lián)網(wǎng)早已經(jīng)達(dá)到了十分驚人的復(fù)雜度。其每一步流程都包含了大量前人的智慧，甚至演化出相關(guān)的專業(yè)；有興趣的小伙伴可以進(jìn)一步了解互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)。

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