计算机 络通讯的扫盲—从“基本概念”到“OSI 模型”

　　为了足够通俗，俺先要介绍一些基本概念。

◇信道（channel）

　　这是通讯领域非常基本的概念，肯定要先聊聊它。
　　通俗地说，信道就是“传送信息的通道”。

◇信道的类型

　　首先，信道可以从广义上分为“物理信道 ＆ 逻辑信道”。
　　顾名思义，“物理信道”就是直接使用某种【物理介质】来传送信息；至于“逻辑信道”——是基于“物理信道”之上抽象出来的玩意儿（待会儿讲到“协议栈”的时候再聊）。

◇信道的带宽

　　“带宽”指的是：某个信道在单位时间内最大能传输多少比特的信息。
　　请注意：
　　电气领域 ＆ 计算机领域都有“带宽”这个概念，但两者的定义不太一样。电气领域所说的“带宽”指的是“模拟带宽”，单位是“赫兹/Hz”；计算机领域所说的“带宽”指“数字带宽”，单位是“比特率”或“字节率”。
　　后续章节提到“带宽”，都是指计算机领域的术语。

◇带宽的单位——容易把外行绕晕

　　“比特率”或“字节率”很容易搞混淆。用英文表示的话——大写字母B表示【字节】；小写字母b表示【比特】。
　　由于带宽的数字通常很大，要引入“K、M、G”之类的字母表示数量级，于是又引出一个很扯蛋的差异——“10进制”与“2进制”的差异。
　　【10进制】的K表示 1000；M表示 1000×1000（1百万）
　　【2进制】的K表示 1024（2的10次方）；M表示 1024×1024（2的20次方）
　　为了避免扯皮，后来国际上约定了一个规矩：对【2进制】的数量级要加一个小写字母i。比如说：Ki表示 1024；Mi表示 1024×1024 …… 以此类推。
　　举例：
　　1Kbps 表示“1000比特每秒”
　　1KiBps 表示“1024字节每秒”

◇信道的工作模式：单工 VS 半双工 VS 全双工

　　再来说说信道的工作模式。大致可以分为如下三种。为了让大伙儿比较好理解，俺对每一种都举相应的例子。
　　单工（simplex）
　　比如“电台广播”就是典型的【单工】。“电台”可以发信号给“收音机”，但“收音机”【不能】发信号给“电台”。
　　半双工（half-duplex）
　　比如“单条铁路轨道”，就是典型的【半双工】。火车在单条铁轨上，可以有两种运行方向；但对于同一个瞬间，只能选其中一个方向（否则就撞车了）。
　　全双工（full-duplex）
　　比如“光纤”就是典型的【全双工】。在同一根光导纤维中，可以有多个光束【同时相向】传播，互相不会干扰对方。

◇端点

　　为了叙述方便，俺把参与通讯的对象（主体）称作“通讯端点”，简称“端点”。
　　这里的“端点”是广义的，可以是硬件（比如某个 卡），也可以是软件（比如某个应用程序）。

◇单播、组播/多播、广播、选播

　　对于“ 络通讯”，至少得有 N 个端点参与，并且【N ≥ 2】才有意义。
　　当 N 个端点构成一个 络，这时候就会涉及到“单播、组播、广播”这几个概念。
　　通俗地说：
单播（unicast）——发送给 络中的指定的【单个】端点
组播/多播（multicast）——发送给 络中的指定的【多个】端点
广播（broadcast）——发送给 络中的【所有】端点
选播（anycast）——发送给 络中随机选择的【单个】端点

◇通讯协议（protocol）

　　所谓的“通讯协议”就是：参与通讯的各方所采用的某种【约定】。只有大家都遵守这个约定，才有可能相互传递信息。
　　打个比方：如果两个人要用自然语言交流，前提是：双方使用相同（或相互兼容）的自然语言。
　　“通讯协议”就类似某种自然语言，参与通讯的多个端点，都必须能理解这个语言。

★从“分层”到“参考模型”

◇分层

　　在聊“分层”之前，先说说“分工”。比如在一个公司中，通常设有不同的工种/岗位，这就【分工】。
　　对于 络通讯也是如此，不太可能用一种通讯协议完成所有的信息传递任务（注：对于特别简单的 络，或许有可能只用单一协议；但如今的 络通讯已经很复杂，用【单个】通讯协议包办所有事情，已经不太可能）
　　一旦采用了多种通讯协议，这几种协议之间，该如何配合捏？
　　在 络通讯领域，采用的是【分层】的设计思路。多个层次的协议在一起协同工作，技术上称作“协议栈”（洋文叫做“protocol stack”）。

◇协议栈的原理

　　对于多层次的协议栈。每个层次都有各自的“端点”（进行通讯的主体）。处于【同一层次】的两个端点会使用该层次的协议进行通讯（注：同一个层次的协议，可能只有一个，也可能有多个）。
　　除了最顶层，每个层次的端点会向其【直接】上层提供“服务”；除了最底层，每个层次的端点会调用【直接】下层提供的“服务”（这里所说的“服务”指某种“编程接口”，技术行话叫 API）。

（“协议栈”的示意图）

（“服务”与“协议”之间的关系）

◇逻辑信道

　　（前一个小节说了）每个层次会向上一个层次提供服务（API 调用）。对上层而言，调用下层提供的 API 发送信息，其效果相当于在使用某种【信道】进行通讯，这也就是俺在★基本概念那个章节所说的“逻辑信道”。

（“逻辑信道”示意图）

◇数据格式的原理

　　大部分协议会把要传送的数据切割为 N 份，每一份就是一个数据包。
　　通常来说，数据包的格式有如下三部分：

头部
身体（也称作“有效载荷”）
尾部（注：很多协议没有尾部）

　　如果你收过快递，可以把“ 络数据包”与“快递包裹”作一个对照——
数据包的“头/尾”，就类似于快递包裹的【包装袋】。数据包的“身体”，就类似于快递包裹里面的东西。
　　对于【相邻】两层的协议，【下】层包含【上】层。也就是说：下层协议的【载荷】就是上层协议的【整体】。
　　还是以快递举例：
　　假设你从 上买了一台笔记本电脑。电脑出厂时，电脑厂商肯定会提供一个包装盒。快递公司在寄送这台笔记本的时候，又会在笔记本的盒子外面再加一个包装袋。对应到 络协议——“快递公司的包装袋”相当于【下层】协议；“电脑厂商的包装盒”，相当于【上层】协议。

（上下层协议的格式及包含关系）

◇ 络分层的参考模型

★OSI 概述

◇OSI 的历史

　　“OSI”的全称是“Open System Interconnection”。先说说它的历史。
　　上世纪70年代，“国际电信联盟”（ITU）想对各国的电信系统（电话/电 ）建立标准化的规格；与此同时，“国际标准化组织”（ISO）想要建立某种统一的标准，使得不同公司制造的大型主机可以相互联 。
　　后来，这两个国际组织意识到：“电信系统互联”与“电脑主机互联”的性质差不多。于是 ISO 与 ITU 就决定合作，两家一起干。这2个组织的2套班子，从上世纪70年代开始搞，搞来搞去，搞了很多年，一直到1984年才终于正式发布 OSI 标准。

◇OSI 标准的两个组成部分

◇OSI 模型的7层

　　OSI 模型总共分7层，示意图参见如下表格：

★物理层：概述

◇物理层的必要性

　　通俗地说：直接与物理介质打交道的层次，就是物理层。这一层的必要性比较明显。
　　因为所有的通讯，归根结底都要依赖于【物理介质】。与物理介质打交道，需要牵涉到很多与【物理学】相关的东东。比如：“无线电通讯”需要关心“频率/波长”；电缆通讯需要跟“电压”打交道；“光纤通讯”需要关心“玻璃的折射率＆光线的入射角” ……
　　“物理层”的主要职责是：屏蔽这些细节，使得“物理层”之上的层次不用再去操心物理学。

◇物理信道的类型

◇信噪比（Signal-to-noise ratio）

　　俺在很多篇关于“学习＆心理学”的博文中提到过【信噪比】这个概念。其实这个概念是从通讯领域借用的术语。
　　对于“物理信道”，总是会存在某些环境干扰，称之为“噪声”（Noise）。“信道传输的有用信息”与“无用的干扰噪声”，这两者的比值就是“信噪比”。
　　“信噪比”单位是【分贝】。“分贝”洋文叫做“decibel”（简写为 dB）。“deci”表示“十进制”；“bel”是为了纪念大名鼎鼎的贝尔（电话它爹）。

◇带宽的限制因素

　　“物理信道”要依赖于物理传输介质。不管使用何种物理介质，都要受限于某些基本的物理学定律（比如“光速上限”）。另外，不管何种物理介质，总是会有或多或少的环境干扰（噪声）。这两个因素导致了：任何“物理信道”的最大传输率总是有限滴。
　　由于物理层是最底下的一层，物理层之上的其它层次总是要直接或间接地依赖【物理信道】。因此，其它层次建立的“逻辑信道”，其带宽只会比“物理信道”的最大带宽更小。换句话说：“物理信道”的带宽上限也就是整个协议栈的带宽上限。

◇多路复用（Multiplexing）

　　一般来说，凡是能实现【长距离】通讯的“物理信道”，都有相当的经济成本。比如铺设“光纤、同轴电缆”都要花钱。无线电通讯虽然免去了铺设线路的成本，但需要竞标购买频段。因此，物理信道非常强调“多路复用”。
　　所谓的“多路复用”，通俗地说就是：尽可能地共享物理信道，不要浪费了。
　　“多路复用”有很多种类型；不同的类型，原理也不同。为了展示各种不同的原理，俺拿【无线通信】来说事儿。
　　无线通信领域的“多路复用”，【至少】有如下几种：

　　频分多路复用/FDM（Frequency-Division Multiplexing）
　　这个最简单，就是根据频率拆分。不同的线路占用不同的频段，互不干扰。（电台广播用的就是这个思路）
　　但这个思路的缺点很明显——
其一，要依赖足够宽的频段（频段是稀缺资源）；
其二，不同线路的流量可能会动态变化。如果某个线路空闲，其占用的频段就浪费了。
　　（注：光纤通讯中有个“波分多路复用/WDM”，本质上就是 FDM）

　　时分多路复用/TDM（Time-Division Multiplexing）
　　这种思路只用一个很窄的频段。为了在同一个频道发送多个信道，采用【分时机制】，把时间切割成很小的时间片，每个线路占用一个时间片。周而往复。
　　这个思路有点像十字路口的红绿灯——每隔一段时间，其中一条路可以通行。
　　这个思路的优点是：可以只使用一个很窄的频段。缺点是：线路越多，每条线路等待越久；即使某个线路空闲，依然会占用时间片（浪费了资源）。

　　码分多路复用/CDM（Code-Division Multiplexing）
　　这种思路采用某种【编码】的技巧，使得多个端点可以在同一个时间点使用同一频段发送数据；由于他们采用不同的编码方式，不会相互干扰。
　　一般来说，CDM 要依赖于“扩频技术”（spread spectrum），需占用一个比较宽的频道范围。这算是缺点。但其优点很明显——
其一，可以支持 N 个线路（N 动态变化）；
其二，即使任何一个线路的流量动态变化，也不会浪费物理信道的资源。
　　显然，这种思路明显优于 FDM ＆ TDM。如今在移动通讯领域大名鼎鼎的 CDMA（码分多址），采用的就是这个思路。

★物理层：具体实例

◇物理层的【协议】

　　物理层的协议主要有如下：
USB 协议
蓝牙协议的一部分
IEEE 802.11的一部分（Wi-Fi）
IEEE 802.16（WiMAX）
IEEE 1394（火线接口）
RS-232 协议（串行接口/串口）
……
（考虑到篇幅）俺不可能具体细聊这些协议，只是贴出每个的维基百科链接，感兴趣的同学自己点进去看。

◇物理层的【协议实现】

　　对于电脑主机（含移动设备），“ 卡硬件”包含了物理层的协议实现（参见如下示意图）
　　另外，还有一些专门的【1层】 络设备，也提供物理层的功能（参见下一个小节）。

◇物理层相关的【 络设备】