文/張彤

上一篇我們了解了互聯(lián)網(wǎng)的定義和其早期的發(fā)展歷史，接下來(lái)我們?cè)賮?lái)看看互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的要素，第一是計(jì)算單元，也就是連接的對(duì)象，或者稱為通信主體，即網(wǎng)絡(luò)中大量存在的具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)，兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的計(jì)算機(jī)才能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。第二就是連接計(jì)算單元的計(jì)算機(jī)網(wǎng)，包括通信設(shè)備和通信協(xié)議。通信設(shè)備負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)間傳輸數(shù)據(jù)包信息，包括交換機(jī)、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)、路由器等設(shè)備。而兩臺(tái)計(jì)算機(jī)要相互通信，就象兩個(gè)人要相互交流，必須使用共同的語(yǔ)言，這種“語(yǔ)言”就是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。目前全球互聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用的是TCP/IP 協(xié)議。

TCP/IP：互聯(lián)網(wǎng)的第一基因

互聯(lián)網(wǎng)是個(gè)不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，但始終不變的就是TCP/IP 協(xié)議?？梢哉f(shuō)對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)，TCP/IP 就像基因一樣，甚至可以這樣認(rèn)為：只有采用TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)才叫互聯(lián)網(wǎng)，其他的都不是真正意義上的互聯(lián)網(wǎng)。

TCP/IP 是一個(gè)協(xié)議族，主要包括兩個(gè)部分，即TCP 協(xié)議和IP 協(xié)議，這兩個(gè)協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中主要完成以下功能：

1.首先由TCP 協(xié)議把數(shù)據(jù)分成若干數(shù)據(jù)包，給每個(gè)數(shù)據(jù)包寫(xiě)上序號(hào)，以便接收端把數(shù)據(jù)還原成原來(lái)的格式。

2.IP 協(xié)議給每個(gè)數(shù)據(jù)包寫(xiě)上發(fā)送主機(jī)和接收主機(jī)的地址，一旦寫(xiě)上源地址和目的地址，數(shù)據(jù)包就可以在物理網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)了。IP 協(xié)議還具有利用路由算法進(jìn)行路由選擇的功能。就像寄信一樣，不但有清楚準(zhǔn)確的寄信地址和收信地址，郵遞員還會(huì)智慧地選擇最快的路徑，將信送到收信人手中。

圖1 TCP/IP 協(xié)議工作原理，繪圖者Vint Cerf 是TCP/IP 協(xié)議發(fā)明人之一

3.數(shù)據(jù)包可以通過(guò)不同的傳輸途徑(路由)進(jìn)行傳輸，由于路徑不同，加上其它的原因，可能出現(xiàn)順序顛倒、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真甚至重復(fù)的現(xiàn)象。這些問(wèn)題都由TCP 協(xié)議來(lái)處理，它具有檢查和處理錯(cuò)誤的功能，必要時(shí)還可以請(qǐng)求發(fā)送端重發(fā)。簡(jiǎn)言之，IP 協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，而TCP 協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

分層OSI：互聯(lián)網(wǎng)的“邏輯”哲學(xué)

TCP/IP 是互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放性的通信系統(tǒng)互連參考模型（OSI）的重要組成部分，而OSI 則是構(gòu)建整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)大廈的基礎(chǔ)模型?；ヂ?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師借鑒了建筑學(xué)的“結(jié)構(gòu)”理念，將OSI 劃分為7 層結(jié)構(gòu)，從上到下分別是：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。每一層發(fā)揮不同的作用：

物理層很直觀，與數(shù)據(jù)處理沒(méi)有直接關(guān)系, 只負(fù)責(zé)連接計(jì)算機(jī)與設(shè)備或者計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)，比如網(wǎng)卡與通訊電路的連接；

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)保障數(shù)據(jù)在通信介質(zhì)上以“幀”的形式傳輸，并且通過(guò)使用物理層地址(如MAC 地址)來(lái)確認(rèn)這些數(shù)據(jù)被發(fā)送至何處；

網(wǎng)絡(luò)層定義了兩個(gè)終端之間的連接，并為分組數(shù)據(jù)包選擇優(yōu)化的傳輸路徑；

傳輸層，為了實(shí)現(xiàn)可靠性的通信，該層負(fù)責(zé)建立、維持釋放虛電路, 檢測(cè)并糾正通信鏈路, 提供流量控制服務(wù)以防止通信對(duì)方數(shù)據(jù)溢出，傳輸層隱藏通信實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié), 向上層提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)；

會(huì)話層規(guī)定了通信開(kāi)始和結(jié)束時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)形式等內(nèi)容，“會(huì)話”是指兩個(gè)通信系統(tǒng)之間進(jìn)行邏輯通信，應(yīng)用數(shù)據(jù)在該層內(nèi)建立邏輯上的從傳輸開(kāi)始到結(jié)束的過(guò)程通信鏈路；

表示層負(fù)責(zé)定義傳輸數(shù)據(jù)所用的壓縮方式以及數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式等；

最后是應(yīng)用層，我們?nèi)粘Ｋ玫碾娮余]件SMTP、文件傳輸FTP、使用Web 瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁(yè)HTTP 等，都是在這一層完成特定目的應(yīng)用的軟件規(guī)格定義。

分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，首先，人們可以很容易的討論和學(xué)習(xí)協(xié)議的規(guī)范細(xì)節(jié)；其次，層間的標(biāo)準(zhǔn)接口方便了工程模塊化；第三，分層的模式為數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)建了一個(gè)更好的互連環(huán)境，降低了復(fù)雜度，使程序更容易修改，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度更快；最后，每層利用緊鄰的下層提供服務(wù)。

TCP/IP 是互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放性的通信系統(tǒng)互連參考模型（OSI）的重要組成部分，而OSI 則是構(gòu)建整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)大廈的基礎(chǔ)模型?；ヂ?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師借鑒了建筑學(xué)的“結(jié)構(gòu)”理念，將OSI 劃分為7 層結(jié)構(gòu)，從上到下分別是：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)明人、圖靈獎(jiǎng)獲得者溫登·瑟夫

窄腰：“神”一樣的結(jié)構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)之所以能夠“互聯(lián)”，“窄腰結(jié)構(gòu)”功不可沒(méi)。窄腰結(jié)構(gòu)是基于TCP/IP 協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)層級(jí)模型實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)特征。TCP/IP 使得互聯(lián)網(wǎng)能夠向下兼容所有通訊手段，向上支持任何應(yīng)用（如圖2）?；ヂ?lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)明人、圖靈獎(jiǎng)獲得者溫登·瑟夫指出，互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，就定義了原型必須滿足五個(gè)條件：第一，互聯(lián)網(wǎng)不是為任何特殊應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，這是互聯(lián)網(wǎng)的普適性：像傳送明信片一樣，語(yǔ)音、視頻、IP電話 任何應(yīng)用都可以在互聯(lián)網(wǎng)上得到支撐。第二，可以運(yùn)行在任何通信技術(shù)之上，包括電子電路、微波、光纖、無(wú)線、3G/4G/5G 。第三，允許在網(wǎng)絡(luò)邊緣創(chuàng)新，不需要為增加任何新的應(yīng)用和服務(wù)而改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這就是窄腰結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，基本結(jié)構(gòu)保持不變，應(yīng)用可以無(wú)限擴(kuò)展。第四，可擴(kuò)展。互聯(lián)網(wǎng)需要支持用戶規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上連接的用戶已經(jīng)近40 億，IPv4 的地址空間不足，因此發(fā)展IPv6 勢(shì)在必行。第五，互聯(lián)網(wǎng)向任何新協(xié)議、新技術(shù)和新應(yīng)用開(kāi)放。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)窄腰結(jié)構(gòu)示意

互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用千變?nèi)f化，今天互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域熱議的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、人工智能，以及應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)解決行業(yè)需求的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、金融互聯(lián)網(wǎng)等，中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略定義的13 個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)，都以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)支撐平臺(tái)?；ヂ?lián)網(wǎng)在不停的變化、演進(jìn)、升級(jí)、擴(kuò)展，但互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)始終保持穩(wěn)定，這就體現(xiàn)出了“窄腰”的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。窄腰的技術(shù)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但其厲害之處也恰恰就在于簡(jiǎn)單，它使人能夠在這個(gè)“窄”平臺(tái)上進(jìn)行任何的創(chuàng)新。你不需要知道數(shù)據(jù)包走的是哪一條鏈路，不需要了解路由器的工作狀態(tài)，也不需要為復(fù)雜的處理和傳輸?shù)倪^(guò)程擔(dān)憂，就像姚明傳球，不需要關(guān)心下一個(gè)接球的潘長(zhǎng)江夠不夠得著一樣。

窄腰結(jié)構(gòu)為互聯(lián)網(wǎng)打開(kāi)了創(chuàng)造的閥門。只要你需要就可以有創(chuàng)新的應(yīng)用來(lái)滿足你，只要有應(yīng)用就一定有更高速、更便捷的通信方式支持。互聯(lián)網(wǎng)之父可能想不出微信、微博、APP 這些“古怪”東西，但有了互聯(lián)網(wǎng)，任何人的智慧都被激發(fā)和匯集在一起，構(gòu)建了今天龐大的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)放、共享、競(jìng)爭(zhēng)、創(chuàng)新、迭代，最后沉淀下來(lái)的必然都是閃閃發(fā)光的“真金”。