互聯網的“硬核”技術

文/張彤

上一篇我們了解了互聯網的定義和其早期的發展歷史，接下來我們再來看看互聯網的關鍵技術。

構成互聯網的要素，第一是計算單元，也就是連接的對象，或者稱為通信主體，即網絡中大量存在的具有獨立功能的計算機，兩臺或兩臺以上的計算機才能構成網絡。第二就是連接計算單元的計算機網，包括通信設備和通信協議。通信設備負責在網絡間傳輸數據包信息，包括交換機、網橋、網關、路由器等設備。而兩臺計算機要相互通信，就象兩個人要相互交流，必須使用共同的語言，這種“語言”就是互聯網協議。目前全球互聯網主要應用的是TCP/IP 協議。

TCP/IP：互聯網的第一基因

互聯網是個不斷發展的網絡，但始終不變的就是TCP/IP 協議。可以說對于互聯網，TCP/IP 就像基因一樣，甚至可以這樣認為：只有采用TCP/IP 協議的網絡才叫互聯網，其他的都不是真正意義上的互聯網。

TCP/IP 是一個協議族，主要包括兩個部分，即TCP 協議和IP 協議，這兩個協議在數據傳輸過程中主要完成以下功能：

1.首先由TCP 協議把數據分成若干數據包，給每個數據包寫上序號，以便接收端把數據還原成原來的格式。

2.IP 協議給每個數據包寫上發送主機和接收主機的地址，一旦寫上源地址和目的地址，數據包就可以在物理網上傳送數據了。IP 協議還具有利用路由算法進行路由選擇的功能。就像寄信一樣，不但有清楚準確的寄信地址和收信地址，郵遞員還會智慧地選擇最快的路徑，將信送到收信人手中。

圖1 TCP/IP 協議工作原理，繪圖者Vint Cerf 是TCP/IP 協議發明人之一

3.數據包可以通過不同的傳輸途徑(路由)進行傳輸，由于路徑不同，加上其它的原因，可能出現順序顛倒、數據丟失、數據失真甚至重復的現象。這些問題都由TCP 協議來處理，它具有檢查和處理錯誤的功能，必要時還可以請求發送端重發。簡言之，IP 協議負責數據的傳輸，而TCP 協議負責數據的可靠傳輸。

分層OSI：互聯網的“邏輯”哲學

TCP/IP 是互聯網開放性的通信系統互連參考模型（OSI）的重要組成部分，而OSI 則是構建整個互聯網大廈的基礎模型?；ヂ摼W結構設計師借鑒了建筑學的“結構”理念，將OSI 劃分為7 層結構，從上到下分別是：應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。每一層發揮不同的作用：

物理層很直觀，與數據處理沒有直接關系, 只負責連接計算機與設備或者計算機與計算機，比如網卡與通訊電路的連接；

數據鏈路層負責保障數據在通信介質上以“幀”的形式傳輸，并且通過使用物理層地址(如MAC 地址)來確認這些數據被發送至何處；

網絡層定義了兩個終端之間的連接，并為分組數據包選擇優化的傳輸路徑；

傳輸層，為了實現可靠性的通信，該層負責建立、維持釋放虛電路, 檢測并糾正通信鏈路, 提供流量控制服務以防止通信對方數據溢出，傳輸層隱藏通信實現的細節, 向上層提供數據通信服務；

會話層規定了通信開始和結束時發送的數據形式等內容，“會話”是指兩個通信系統之間進行邏輯通信，應用數據在該層內建立邏輯上的從傳輸開始到結束的過程通信鏈路；

表示層負責定義傳輸數據所用的壓縮方式以及數據的表現形式等；

最后是應用層，我們日常所用的電子郵件SMTP、文件傳輸FTP、使用Web 瀏覽器瀏覽網頁HTTP 等，都是在這一層完成特定目的應用的軟件規格定義。

分層結構的優點是顯而易見的，首先，人們可以很容易的討論和學習協議的規范細節；其次，層間的標準接口方便了工程模塊化；第三，分層的模式為數據傳輸創建了一個更好的互連環境，降低了復雜度，使程序更容易修改，產品開發的速度更快；最后，每層利用緊鄰的下層提供服務。

TCP/IP 是互聯網開放性的通信系統互連參考模型（OSI）的重要組成部分，而OSI 則是構建整個互聯網大廈的基礎模型。互聯網結構設計師借鑒了建筑學的“結構”理念，將OSI 劃分為7 層結構，從上到下分別是：應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。

互聯網體系結構的發明人、圖靈獎獲得者溫登·瑟夫

窄腰：“神”一樣的結構

互聯網之所以能夠“互聯”，“窄腰結構”功不可沒。窄腰結構是基于TCP/IP 協議和互聯網層級模型實現的獨特的互聯網體系結構特征。TCP/IP 使得互聯網能夠向下兼容所有通訊手段，向上支持任何應用（如圖2）。互聯網體系結構的發明人、圖靈獎獲得者溫登·瑟夫指出，互聯網在設計之初，就定義了原型必須滿足五個條件：第一，互聯網不是為任何特殊應用而設計的網絡，這是互聯網的普適性：像傳送明信片一樣，語音、視頻、IP電話 任何應用都可以在互聯網上得到支撐。第二，可以運行在任何通信技術之上，包括電子電路、微波、光纖、無線、3G/4G/5G 。第三，允許在網絡邊緣創新，不需要為增加任何新的應用和服務而改變網絡結構，這就是窄腰結構的優勢，基本結構保持不變，應用可以無限擴展。第四，可擴展?；ヂ摼W需要支持用戶規模的持續擴大，現在互聯網上連接的用戶已經近40 億，IPv4 的地址空間不足，因此發展IPv6 勢在必行。第五，互聯網向任何新協議、新技術和新應用開放。

圖2 互聯網窄腰結構示意

互聯網上的應用千變萬化，今天互聯網領域熱議的云計算、大數據、物聯網、智能制造、人工智能，以及應用互聯網解決行業需求的工業互聯網、能源互聯網、金融互聯網等，中國“互聯網+”發展戰略定義的13 個產業領域互聯網，都以互聯網為基礎支撐平臺?；ヂ摼W在不停的變化、演進、升級、擴展，但互聯網的體系結構始終保持穩定，這就體現出了“窄腰”的價值和優勢。窄腰的技術結構非常簡單，但其厲害之處也恰恰就在于簡單，它使人能夠在這個“窄”平臺上進行任何的創新。你不需要知道數據包走的是哪一條鏈路，不需要了解路由器的工作狀態，也不需要為復雜的處理和傳輸的過程擔憂，就像姚明傳球，不需要關心下一個接球的潘長江夠不夠得著一樣。

窄腰結構為互聯網打開了創造的閥門。只要你需要就可以有創新的應用來滿足你，只要有應用就一定有更高速、更便捷的通信方式支持?；ヂ摼W之父可能想不出微信、微博、APP 這些“古怪”東西，但有了互聯網，任何人的智慧都被激發和匯集在一起，構建了今天龐大的互聯網生態系統，開放、共享、競爭、創新、迭代，最后沉淀下來的必然都是閃閃發光的“真金”。