本文正在参与 “网络协议必知必会”征文活动
HTTP、TCP/IP、UDP、DNS、五层模型、七层模型等所有这些常见名词，其实本质都是为了数据传输而规定的协议
一、数据
先说什么是数据？本质上就是计算机所能处理的 0 和 1
计算机中的文本、图片、视频等一切内容，都是以 0 和 1 的形式传播和存储的
二、协议
我们模拟一下在此前提之下的数据信息交流情况：现在有两台电脑小明和小红，同时为了便于理解，把二进制扩大到十进制
1. 支出情况协议
设定一个「支出情况协议」协议只有一个规则，传一个数字，表示当天的支出
小明「10」（今天支出 10 元） 小红「15」（今天支出 15 元）
2. 收支情况协议
两人觉得只告知支出还不够，因此希望有一个「收支情况协议」
这个协议需要传两个数字，表示支出和收入。平常有类似的需求，我们在两数之间加空格即可，但是现在我们只有 0~9。所以没法模拟空格
简单的解法是规定好两个数字的位数，例如都占 4 位（为了便于阅读会在不同数字间加空格，实际上不会有）
小明「0010 0001」（今天支出 10 元，收入 1 元） 小红「9999 0007」（今天支出 9999 元，收入 7 元）
坏处是如果位数太多，那么数字很小的时候会浪费空间。如果位数太少，数字的范围也就很小。一般这种情况可以如下优化
前两个数字位数为 1，表示支出和收入分别占多少位，后面对应的位数为收支
小明「4 1 1000 1」（今天支出 1000 元，收入 1 元） 小红「9 3 999999999 111」（今天支出 999999999 元，收入 111 元）
这样可以兼顾数字范围和空间
3. 热量摄入协议
两个人不能光聊钱，还想聊点别的，比如今天吃了多少。量化成协议就是「热量摄入协议」
规则同「收支情况协议」，只是数字的含义改为摄入卡路里、消耗卡路里。不过这两个协议好像没法区分了，所以还得加一个 1 位数表示当前是什么协议
规定：1 是当天热量摄入协议，2 是当天收支情况协议
小明「1 3 1 255 1」（今天消耗 15 卡，摄入 1 卡） 小红「2 9 3 999999999 111」（今天支出 999999999 元，收入 111 元）
实际上计算机中的数据都是以二进制的形式存储 「01 1000 0001 11111111 1」（今天消耗 255 卡，摄入 1 卡）
然后以 16 进制的形式展示 「2 2 1 FF 1」（今天消耗 255 卡，摄入 1 卡）
4. 寻协址议
两人聊得火热朝天，吸引了周围 97 个人的加入。这下总共 99 个人彻底不知道谁和谁在聊天了。为了确定各自的聊天目标，新增了一层「寻址协议」
规定：前 2 位数表示聊天目标。小明 1，小红 99
小明「99 1 3 1 255 1」（小红，告诉你个消息，今天我消耗 15 卡，摄入 1 卡） 小红「01 2 9 3 999999999 111」（小明，告诉你个消息，今天我支出 999999999 元，收入 111 元）
5. 握手协议
大伙聊着发现，这 99 个人里有一些聋子和哑巴。跟这些人聊天根本得不到正常回应。所以为了确认自己的聊天对象是否正常，大家又新增了「握手协议」
规定：新增一位数，每次交流之后需要加 1。证明自己能说话、能听到之后才能开始聊天
小明「99 0」
- 小红
- 证明我能说话，我说 0
小红「01 1」
- 小明
- 证明我能听到，你说 0
- 证明我能说话，我说 1（0+1）
小明「99 2」
- 小红
- 证明我能听到，你说 1
- 互相证明完毕，开始聊天
小明「99 2 1 3 1 255 1」（小红，告诉你个消息，今天我消耗 15 卡，摄入 1 卡） 小红「01 2 2 9 3 999999999 111」（小明，告诉你个消息，今天我支出 999999999 元，收入 111 元）
因为最少需要 3 之后发起方才可以开始聊天，所以也叫 3 次握手
6. 分层
但是位数一多，就难以区分和管理了。所以我们可以把一串信息来分层
| 地址层 | 会话层 | 应用层 | |
|---|---|---|---|
| 寻址协议 | 握手协议 | 收支情况协议 | |
| 热量摄入协议 | |||
| 小明 | 99 | 2 | 1 3 1 255 1 |
| 小红 | 01 | 2 | 2 9 3 999999999 111 |
使用上面的技巧，通过不断增加位数，基本就可以把任何情况的信息交流、存储都囊括进计算机能处理的 01 之中了
三、网络协议
真实的网络世界其也是类似，按照功能划分为了很多层，每一层又有各自的协议
不同标准会把网络划分为不同层数。以 7 层为例
1. 物理层
从最底层开始 电脑直接需要相连，需要通过光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。 它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送 0 和 1 的电信号
2. 数据链路层
单纯的 0 和 1 没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？ 这就是「链路层」的功能，它在「物理层」的上方，确定了 0 和 1 的分组方式。
- 以太网协议：早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做以太网（Ethernet）的协议，占据了主导地位。以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做帧（Frame） 每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data） 标头长度固定为 18 字节，数据长度为 64~1500 字节，如果数据过长，就得分割成多个帧进行发送以太网协议
-
广播：以太网把数据包向本网络中所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方 这种发送方式就叫做广播（broadcasting）
-
**MAC地址：**每一块网卡都有一个独一无二的 MAC 地址，长度是 48 个二进制位，通常用 12 个十六进制数表示
MAC Address
00-B0-D0-86-BB-F7
3. 网络层
互联网是由无数层级子网络共同组成的巨形网络，以太网协议只能解决子网络直接的传输
网络层的作用就是为了引进一套新地址，让不同子网络之间的计算机也能相互联通
- IP 协议 规定网络地址的协议，叫做 IP 协议。它所定义的地址，就被称为 IP 地址。 目前，广泛采用的是 IP 协议第四版，简称 IPv4 这个版本规定，网络地址由 32 个二进制位组成
Ip Address
172.16.254.1
10101100.00010000.11111110.00000001
习惯上，我们用分成四段的十进制数表示 IP 地址，从 0.0.0.0 一直到 255.255.255.255 ip 地址分为网络和主机两个部分
为了区分两个部分，需要使用子网掩码
- IP 数据包：根据 IP 协议发送的数据，就叫做 IP 数据包 IP数据包包括标头和数据，IP 数据包的总长度最大为 65,535 字节 ，标头长度为 20 到 60 字节，数据部分最长为 65,515 字节
- **ARP协议：**ARP 协议用来从 IP 地址得到 MAC 地址，通过 ARP 协议，可以得到同一个子网络内的主机MAC 地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上
4. 传输层
有了 MAC 地址和 IP 地址，已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。 一台主机上肯定不会只运行一个程序，数据传输到了电脑，还需要精确到程序，所以需要参数端口（port），表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用「传输层」的功能，就是建立「端口到端口」的通信
相比之下，「网络层」的功能是建立「主机到主机」的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流
- **UDP 协议：**现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做 UDP 协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号
- **TCP 协议：**UDP 协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到
为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP 协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的 UDP 协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了
5. 会话层
OSI 会话层，主要功能是用来管理会话，细分为三大功能：
- 建立连接 A、B 两台电脑要通讯，首先必须建立一条他们之间的连接，OSI 会话层会完成这个步骤
- 保持连接 连接建立后，当 A、B 通讯完了，A、B 之间的连接不会立刻断开，OSI 会话层会将建立好了的连接维持一段时间不中断，当 A、B 下次还要通讯时，可以直接使用之前建立好的那条连接
- 断开连接 一般一条连接有一个维持时间，当这条连接的维持时间到了后，OSI 会话层会将该连接自动断开而且 A 或者 B 重启、关机、手动执行断开连接的操作之后，OSI 会话层也会将 A、B 之间的连接断开
6. 表示层
OSI 表示层功能：数据的编码、翻译、压缩、解压缩、加密、解密，将数据翻译为相对应的编码格式，然后展现到应用程序中
7. 应用层
应用层是为用户提供的接口，定义了用户之间的交流方式。应用程序收到「传输层」的数据，接下来就要进行解读
由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读
「应用层」的作用，就是规定应用程序的数据格式
举例来说，TCP 协议可以为各种各样的程序传递数据，比如 Email、WWW、FTP 等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP 数据的格式，这些应用程序协议就构成了「应用层」
每一层的协议：
物理层：RJ45、CLOCK、IEEE802.3 （中继器，集线器） 数据链路：PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC （网桥，交换机） 网络层：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、 （路由器） 传输层：TCP、UDP、SPX 会话层：NFS、SQL、NETBIOS、RPC 表示层：JPEG、MPEG、ASII 应用层：FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS
