今天这篇的标题是“扫盲”，也就是说：即使那些完全不懂 IT 领域，也不懂CT领域的读者，依然能看懂（至少能看懂一部分）。为了做到这点，我会尽量使用通俗的比喻，并适当加一些示意图。

另外，就算你已经比较了解网络通信领域，本文中提到的某些部分，也可能是你所不知道的。也就是说：懂行的同学，看看此文，也会有帮助。
本文的标题特地强调了【系统性】——我希望这篇教程能帮助读者对“计算机网络通信”这个领域进行系统性学习（何为“系统性学习”？）
为了做到【系统性】这个目的，这篇教程很长。建议大伙儿慢慢看，不要着急。

为了足够通俗，我先要介绍一些基本概念。

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”。

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）。

“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。

“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”

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，我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。

为了叙述方便，我把参与通讯的对象（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（比如某个网卡），也可以是软件（比如某个应用程序）。

对于“网络通讯”，至少得有 N 个端点参与，并且【N ≥ 2】才有意义。
当 N 个端点构成一个网络，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）——发送给网络中的指定的【单个】端点
组播/多播（multicast）——发送给网络中的指定的【多个】端点
广播（broadcast）——发送给网络中的【所有】端点
选播（anycast）——发送给网络中随机选择的【单个】端点

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。

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，这就是【分工】。
对于网络通讯也是如此，不太可能用一种通讯协议完成所有的信息传递任务（注：对于特别简单的网络，或许有可能只用单一协议；但如今的网络通讯已经很复杂，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？
在网络通讯领域，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”）。

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）

（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，这也就是我在 ★基本概念 那个章节所说的“逻辑信道”。

（“逻辑信道”示意图）

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“网络数据包”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：
假设你从网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。对应到网络协议——“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）

上述所说的“分层 ＆ 协议栈”只是一个抽象的（笼统的）思路。具体要分几层？每一层要干啥事儿？这些都是很有讲究滴！网络技术发展了几十年，已经有很多牛人提出了各种不同的划分方案，称之为“网络分层的参考模型”（为了打字省力，以下简称“模型”）。
在各种模型中，名气最大的当然是“OSI 模型”（洋文称作“OSI model”）。在后续的章节中，我会以这个模型为主体，进行介绍。
除了“OSI 模型”还有一个很出名的模型是“TCP/IP 模型”（因为互联网很成功，它才跟着出名）。对“TCP/IP 模型”的分层，不同的文章或书籍，说法不太一样（“3层、4层、5层”皆有），这就引发了一些争议。包括几位热心读者也在博客留言，表达不同意见。为了避免一家之言，贴出XX百科的“”，其中给出了几种比较有名的说法。
另外，我想提醒一下：
由于本文是基于【OSI 模型】进行展开。对于 TCP/IP 模型到底算几层，这方面的争论【不】影响本文后续的内容。

“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/电报）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网。
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。

严格来讲，OSI 包括两大部分——
其一，抽象的概念模型，也就是前面提到的【OSI model】；
其二，针对这个概念模型的具体实现（具体的通讯协议），洋文叫做【OSI protocols】。

（前面说了）OSI 是由 ISO ＆ ITU 联手搞出来滴。这两个国际组织里面的人，要么是来自各国的电信部门，要么是来自各国的高校学者。总而言之，既有严重的官僚风气，又有明显的学究风气。（正是因为这两种风气叠加，所以搞了很多年，才搞出 OSI）
OSI 的协议实现（OSI protocols），不客气地说，就是一堆垃圾——据说把 OSI protocols 所有的协议文档，全部打印成 A4 纸，摞起来得有一米多高！是不是很吓人？协议搞得如此复杂，严重违背了 IT 设计领域的 KISS 原则。
由于 OSI protocols 实在太复杂，后来基本没人用。但 OSI model 反而广为流传，并且成为“网络分层模型”中名气最大，影响力最广的一个。
因此，本文后续章节中，凡是提到 OSI，指的是【OSI model】。

OSI 模型总共分7层，示意图参见如下表格：

（注：为了打字省力，在后续章节把“数据链路层”直接称为“链路层”）

考虑到本文是针对一般性读者的【扫盲教程】，我重点聊第1~4层。搞明白这几个层次之后，有助于你更好地理解网络的很多概念，也有助于你更好地理解很多信息安全的概念。
网上已经有很多关于 OSI 的文章，可惜大部分写得粗糙——很多文章只是在照抄定义。
要想更好地理解 OSI 模型，你得搞明白：为啥需要引入某某层？（请注意：这是一个 WHY 型的问题）
接下来在讨论 OSI 的每个层次时，我都会专门写一个小节，谈该层次的【必要性】。搞明白【必要性】，你就知道为啥要引入这个层次。

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。

何为“物理信道”，在本文开篇的“基本概念”已经提到了。
对于“物理信道”，还可以进一步细分为如下三大类：
1. 有线信道（比如：双绞线、同轴电缆、光纤、等等）
2. 无线信道（比如：微波通讯、电台广播、卫星通讯、等等）
3. 存储信道

“存储信道”比较少见，很多人没听说过，稍微解释一下。
假设你要把一大坨信息传送给另一个人，除了用“有线 or 无线”这两种通讯方式，还可以把信息先保存到某种【存储介质】（比如硬盘），然后再把存储介质用某种方式（比如快递）转交给对方。这就是所谓的“存储信道”。

信噪比这个概念是从通信领域借用的术语。
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”英文叫做“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）。

“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。

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，我拿【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）我不可能具体细聊这些协议，只是贴出每个的XX百科链接，感兴趣的同学自己点进去看。

对于电脑主机（含移动设备），“网卡硬件”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】网络设备，也提供物理层的功能（参见下一个小节）。