灵魂9问，光怪陆离的网络世界有哪些不为人知的秘密？（网络面试必考）

你有比皇帝更强大的八百里加急传书，1 秒之间就能和你的大臣聊骚、分享宫里生活、快乐、与悲伤；

全世界的人都在为你服务，你可以不用出门就买东西、订客栈、吃到贝加尔湖的皮皮虾、给大明湖畔的夏雨荷发红包；

......

互联网，改变了我们的生活。互联网也给我们提供了就业机会，让千千万万的人吃上一口饱饭。那，你有没有想过?这么传奇的东西，到底是通过什么方式走到我们的眼前?里面到底充斥着什么不为人知的秘密?

现在就请你和小熊一起走向今天的探索发现，一起揭秘 21 世纪最神秘的诡异技术 —— 互联网！

一、是什么组成了网络?

这是一张深圳地铁线路图。

就和这张图一样，网络(network)是由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成，就像深圳地铁线路图就是一张大网，由各个站点和站点之间的连线组成。

所有的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等设备，所有的连线可以是双绞线、同轴电缆、光线等。

所有连入计算机的设备又被叫做主机(host)或端系统，除了电脑手机以外还有电冰箱、汽车、共享单车、交通信号灯、手环、监控摄像头等等奇奇怪怪的设备，目前2020年，起码有200亿以上的设备连入了互联网!

网络把很多计算机连接在一起，变成一个一个小的网络，比如家庭网络、公司网络、移动网络，把很多网络连起来就叫因特网(Internet，注意大写 I)

但是通通连起来还是不够的，我们发出去的信息和收到的信息最终会变成微信消息、游戏、邮件、网页等等，在这个过程中，到底信息来自哪里又将会去往何处?收发过程又经过了哪些处理?为什么我们可以享受网络服务?为什么会有如此多姿多彩的呈现形式?我们的数据安全又如何保证?

不要谎!让我们继续小熊说网络之为什么我们可以享受网络服务?

二、为什么我们可以享受网络服务?

从1993年开始，政府机构不再负责因特网的运营，这个时候无数的因特网服务提供商 ISP(Internet Service Provider)涌现，比如中国电信、联通、移动，为了给广大人民群众实现联网。

ISP 向Internet管理机构申请很多IP地址，大ISP自己造通信线路，小ISP就租他们通信线路以及各种联网设备。

我们就只要向ISP交钱获得IP使用权，就可以接入到互联网了。

所以所谓上网就是指“通过某个ISP获得的IP地址，接入到因特网”

IP地址管理机构不会把单个IP分配给单个用户，而是把一批IP有偿租用给合格的ISP，所以因特网就是无数的ISP共同拥有的，这种现象被称为“网络中的网络”

不同的ISP根据其规模大小被拆分为不同层次，覆盖面积最广的就是主干ISP，通常为国家级范围，其次是地区，借助一个或多个主干并联，最后是本地ISP，可以直接连主干，也可以连地区，也就是我们最常用的(比如公司内网私有云、学校、公有云厂商)。

任何一个ISP(除了顶层)都可以和多个ISP互联，成为他们的下级，也就是多宿(multi-home), 这时候即使提供商之一出现问题，他仍然不会断网。

那么问题来了，用户那么多，主干ISP就那么几个，肯定要涵盖超大的网络数据流量，就算他有最大的带宽，可以完成流量交换，但是距离越远传输速度越慢是亘古不变的真理，如果先把相邻地区流量转发到千里之外再转发回来，是一种对网络资源的浪费。

为了避免这种浪费，一种更有效快速的转发方式出现了，那就是因特网交换点 IXP (Internet Exchange Point)

IXP充当一个桥梁的作用，如上图，右侧两个地区ISP就是通过IXP连接起来，相当于“绕过”了最高ISP，这部分的流量就不用给主干ISP付钱了，也降低了网络延迟。

既然IXP可以省钱，让别人接入IXP明摆着是赚钱的事，钱谁都想赚，那么IXP是谁来建，谁运营，谁维护，如何收费，谁让主要的 ISP 愿意接进来，那就要各显神通了。

举个例子，如果在深圳内有一个NAP/IXP点，深圳移动用户访问深圳电信网络就可以不出市，费用按NAP/IXP的博弈价格收费，便宜多了，从整个大网的拓扑看，流量确实也得到很大的优化。

这个时候BAT在干嘛呢?BAT 严格意义上来说不属于ISP，他们是提供内容的，所以被叫做因特网内容提供商 ICP(Internet Content Provider)，内容供应商有内容，他们的数据中心需要和运营商网络互联互通，才能被他们的用户访问。

一般是拉通了专线边界网关协议 BGP(Border Gateway Protocol)，简单来说你向BAT发消息，他们就近原则回消息，根据你访问的源地址，判断消息从哪里过来的，如果是电信，就走电信的线路回去。如果是联通，就走联通的线路回去。

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以前互联网数据中心 IDC(Internet Data Center)都是运营商的，为了让自己的服务跑的更快，现在是 BAT都自建数据中心，也就是云，多余的计算资源也向外提供，把计算放到云上，这就是云计算，尤其是阿里和腾讯的云服务很不错。

如果一个IDC同时也是一个IXP点，网络的互联互通就是楼道之间的布线，不但成本低，而且更稳定(不用担心光缆被挖断)。这个IDC的网络质量就比普通的IDC要优秀，也就更值钱。这种模式就是现在火热的互联网盈利模式，IXP可以不赚钱，IDC发大了。

再结合一个叫软件定义网络 SDN(Software Defined Network)的东西，特别是可编程路由，使得路由可以根据业务需求，流量需求，怎么省钱怎么来，用他来充当IXP的角色，成本比路由器还要便宜，而且可以按需调度，可以支持复杂流量工程，以实现分布式拒绝服务(DDOS)防止被攻击。

三、为什么不同国家的计算机能听懂对方说的话?

至此，关于为什么我们可以享受网络服务这个问题，你应该非常清楚了!主机和主机要达到交流的目的，就需要秦始皇这样的人做语言大一统，让计算机之间就能听懂对方传递的信息，并且准确的转换成人类可理解的语言。

语言大一统的交流办法就是这一节的主角协议 (Protocol)

举个栗子，上面是一个马春花的老公和他朋友的聊天过程，一个人先发起，另一个人应答，上图中的男人说“是那事吗?”就是一个应答，应答中隐含了一个暗示，我在等你接着说。当然，他也可以拒绝回答。

询问、回答确认或者询问得不到回答，都是基于人类会话协议的交互过程。

在我们人类会话协议中，询问内容就是我们发送的报文，也有根据报文的应答报文和其他事件采取的动作(例如，等待一段时间没有任何应答)

如果人们使用不同的协议，比如听不懂对方的语言、另一个人是不想说话，这个交互过程都无法进行。

网络协议类似于人类协议，只不过把对话的人换成了某些硬件和软件设备(例如计算机、手机、路由器)，他们之间使用的都是同一种语言(byte 流，最终解析成电信号)，严格受协议的制约。

• 硬件直接通过网线互联，通过协议控制网卡之间的比特流
• 端系统通过阻塞控制协议，控制收发包过程中分组发送速率
• 路由器协议，控制分组从源到目的地之间的路径

协议无处不在，上面的图就表示一个计算机网络通信协议的简单表述过程。

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至此我们揭秘了互联网到底是如何传递信息的，以及是如何组成的，让视野回到手中，拿起手机连上wifi，揭秘网络的边缘。

四、为什么我的电脑、手机、ipad 都能在家里连网?

之前我们讲过，和因特网连在一起的所有计算机和其他设备(服务器、移动穿戴设备等)都被叫做端系统，端和边缘都是指网络的末端，牢记这个概念。

至于如何连接起来的，要归功于光、电、波三大技术，是不是突然发现《模电》、《数电》、《数字信号处理》不是白学的了。

边缘路由器(edge router)就是把本地端系统连接到任何远程端系统路径上的第一台路由器(比如常说的“猫”)，而把端系统物理连接到边缘路由器的网络就叫接入网。

最早的接入方式是用电话线和电缆，电话公司就是ISP，通过数模转换得到数字型号，家到ISP通过双绞铜线连接(搓成麻花状的铜线)

因为这些线不仅要承载高频段网络数据传输，还要承载低频段的双向电话信号传输，材料又是铜线，所以传输速率受限。

之所以电话信息和网络信号之间不会有影响，可以回忆一下当时学的滤波器原理。

为了快，又发展出了混合光纤同轴系统 HFC(Hybrid Fiber Coax), 电缆接到用户家里，还是用本地电话的基础设施，光缆从有线电视公司接出。

再发展出光纤到户，速度快的不是一点半点，不过只有人员密集的小区才会配备，如果没配备自己想单独拉一条光纤，要花上万元。

其中一种光纤连接方式叫被动光纤网络 PON(passive Optice Network)，就是把很多家庭的光纤通过光纤网络端接器 ONT(Optical Network Terminator)开始，连接到临近的分配器，汇聚成一条光纤，最后连接到本地中心局(CO,centeroffice)(链接用户到通信运营商的交换网络)，实现上网。

当然，上面都是说怎么连出去，家里一般有很多设备，他们会组件成局域网(LAN)，通过猫(DSL)或者交换机来连接。

但是我们在用的时候总不能给手机插个网线吧，为了达到移动用网的目的，我们更需要一些无线连接方式，也就是熟知的wifi、蜂窝网络(2G、3G、4G、LET)。

好了，我们知道端系统之间是怎么连接起来的了，那端与端之间又是通过什么进行通信的呢?又是谁在给我们提供应用服务呢?肯定不是中间躲着一个接线员，人工识别信号请求再发送网页给你，要真是这样，100 个接线员服务一个人都不够。

需要一些端系统来充当服务器，端系统又被叫做主机，可以划分为两类 客户(client) 与 服务器(server)，客户一般是指个人电脑、手机、ipad等设备，一般指可以接触到并拿在手中，只要连网就可以享受服务的设备。

服务器是指存储和发布web网站、视频、中继电子邮件等的大型计算机或者数据中心，这些数据中心里面可能有数十万台服务器。

在他们之间我们熟知的有两种通信方式，客户机-服务器方式(C/S)和对等方式(P2P)。

客户机-服务器方式是最常用的，我们平时用手机上网就是一个最典型的呈现：

客户端知道服务器的地址，主动向服务器发起通信，服务器可同时处理多个远程客户的请求且永远不停机的运行。

对等方式，是指两个主机在通行时可能又是服务请求方也服务提供方：

图片来自百度百科

非常著名的某网盘就是用的这种技术，为了实现加速，你下载文件以后，假如周围的人要下载同一个文件，就会把你的电脑当作服务端进行就近传输，如果周围很多人都下载了这个文件，就会有很多个服务端，分别下载文件的不同部分，最终汇总成一个完整的文件来达到加速的目的。

第四节我们学会了边缘网络的接入方式以及通信方式，联系上面的章节我们知道了网络的各种连接方式，也知道中间有ISP、IXP、ICP，但是并不知道，客户端发送一条信息，怎么通过千山万水准确的到达服务器，下一节我们来缕一缕这个过程。

五、为什么郭杰瑞在美国发送一条视频，远在中国深圳南山科技园的我能收到?

这一节讲网络核心，着重讲转发表与路由选择协议。

不用担心封号，我已经打码了。

郭杰瑞最近在做战地记者，我最近老是在微博上收到他的视频推送，冷静下来一想，为啥他在那么远的地方发个消息会被我刷到，难道是因为什么特别的缘分?怪不得说网络一线牵，珍惜这段缘。

排除了网络的边缘就是网络的核心了，也就是一堆分组交换机和链路构成的网状网络。

当然，还有两种交换方式叫电路交换和报文交换，但由于分组交换的效果最好，这两种方式都用的很少。

在各种网络应用里，端系统之间彼此交换报文(message)，报文里包含了协议，可以传输文本也可以传输数据，比如视频、音乐等。

从源端系统向目的端系统传输报文时，长报文会被切分成碎片，称之为分组(packet)，每个分组就是一堆byte的集合(可以理解为10101100这样的高低电平)，通过通信链路和分组交换机(路由器和链路交换机)进行传输。

但是呢!路由器只能从相连的一条链路得到分组，再转发给另一个相邻的链路，啥意思?就是完全没办法一下子从美国发信息直接发到深圳。

这是因为路由器内的存储空间是有限的，根本不可能把全世界那么多设备的位置都存起来，即使是能存得下，如果黑客改变了里面的内容，岂不是可以随便伪装成任何人了。

所以聪明的程序员设计出了转发表和路由选择协议，负责把目的地址的一部分映射成输出链路，如果把路由器比喻成人，把报文比喻成信件，我们只能靠问路来寄信!

每个人就只知道大概方向、以及距离更近的路由器位置，每次问路都会距离目的地更近一点，每次问路结束都会知道下一个更近的人的位置，就这么一路问过去，直到投递成功。

每台路由器具有一个转发表(forwarding table)，负责将目的地址(或目的地址的一部分)修改为适当的输出链路，你就距离目的地更近了一步。

当然，不是漫无目的的修改，会通过一系列的算法，选择出最优路径，一般是在16跳(16次)以内就能到达任意位置这就是路由选择协议(routing protocol)的内容，如果感兴趣可以自己下来查查。

你可以登陆www.traceroute.org，随便选择一个源，输入你的真实ip或域名，看看他是怎么跳转的。

我选了美国的一个AS 1221节点和百度的域名，经过了13跳才到达目的地。

六、为什么网络要分层?

就上面说的那些东西可以发现，网络实在是太复杂了，复杂和复杂的系统进行交流，需要分工明确，各司其职，具体是怎么分层的呢?

做过运维、实施以及做web开发的同学可能听过四层、七层负载均衡，其实无非是绑定ip还是绑定域名的区别。

图来自计算机网络-谢希仁

从第七层到第一层，分别对应了不同的一个数据包(报文)在不同解决的不同处理办法(协议)，每个报文在传输出去的时候会经历打包的过程，套七层外套，在接收和传递的时候会经历拆包的过程，脱下七层衣服。

每一层都会携带一些关键信息给对应的设备识别，为了保证输出包顺利的投递，在传输过程中会经历很多设备，也会经历很多次拆包打包。

看右边的图 c，计算机是五层架构，在源设备上，一个应用层的报文(HTTP 报文)被传送给运输层(也称传输层)，传输层套个壳(TCP 首部)，附加上自己的信息(允许接收端读取应用层信息，差错检验位信息防止传输途中被篡改)，我们熟知的TCP和UDP协议就是在传输层起的作用

然后继续传递给网络层，增加源和目的端系统地址(如IP地址)等信息(IP 首部)，让接受端知道包是从哪来的

然后传递给链路层，他会把数据包组装成帧(framing)也就是之前第五节说过长报文切分成短报文的分组(packet)，每帧包含数据和校验必要的信息(同步信息、地址、校验信息等)(以太网首部)，链路层会加上MAC(Media Access Contol 介质访问控制)地址，将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个节点

然后传递给物理层，加上连接电缆的插头有多少根引脚以及如何连接等类似信息

发送出去以后下一个物理设备就会拆包，如果是二层交换机就会拆掉链路层和物理层，如果是路由器还会多拆掉一个网络层，再打上自己的信息和下一跳的信息，继续传递。

交换机和路由器的区别就是，路由器在网络层，可以处理TCP/IP协议，可以把一个IP分配给多个主机而交换机不能，交换机在链路层是根据MAC寻址，可以提供防火墙功能而路由器不能。路由器主要用来连接多个网络，交换机主要用来使局域网连接更多计算机。

常见家用交换机是指二层交换机，现在有三层及三层以上的交换机可基于网络层甚至传输层工作。

整个分层的传输过程如下图：

来源《计算机网络-自顶向下方法》

上面没有提到会话层和表示层，我个人的理解这两层从来没有独立实现过，都是和应用层在一起实现。一般的程序员都是在应用层编程，应用层主要加入了会话保持、断点下载能力，表示层主要是做数据加密解密压缩以及转码(虚拟终端协议 VTP，定义了统一的字符集、终端命令、格式控制符等等)的工作，比如大部分主机使用ASCII码，IBM 主机使用 EBCDIC 编码

还有一个安全加密层，很多人都使用过，只是一直没有人想去划分层次结构，它的名字叫SSL/TLS，有了安全层提供的服务，位于应用层的HTTP/SMTP/FTP，都可以在其名字后加一个S(Security)，比如HTTPS，其实这个世界压根不存在HTTPS协议，只有HTTP协议，加上 S 的后缀只是告诉大家HTTP使用的是六层结构，有了SSL/TLS的安全保护。

七、为什么明明我办了 100M 的宽带，却怎么也跑不满?

得嘞，郭杰瑞的视屏是收到了，我就是不喜欢直接播放，就是要把他全部打包下载下来，但是我发现明明是100M的宽带，为什么我的网速达不到100M/s呢?几乎所有人都有这样的疑惑

100M的带宽，实际上网速只有可怜的12M/s，此兆非彼兆~

100M宽带的正常速度就是100 Mbit/s，只是单位不同而已 8bit=1B ， 我们关注的是MB/s,所以100 Mbit/s = 100/8 = 12MB/S

八、为什么打游戏、看视频会卡?

ok ~，站在后排的同学就不服了：“你说是12M/s的速度我也认了，为什么现在卡的只有1M/S? 小熊这你又怎么解释?”

感叹一句，只要套路深谁把谁当真，作为用户感觉总是玩不过运营商，总感觉花了钱，享受不到服务，其实只要在高峰期刷视频就很有可能这样子。

所以是为什么高峰期就会卡，不应该是我独享的宽带吗?事实上是共享的，在介绍为什么共享之前，先介绍下传输过程中产生的速度损耗。

还是让我们回到最常用的分组交换，分组交换我们说过，他把报文切片，变成一个一个的数据包进行传输，在传输给分组交换机的时候，交换机本身会进行一些包检查，这里浪费的时间叫节点处理时延(nodal processing delay)

多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输(store-and-forward transmission)机制，在交换机输出该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组，这个等待的时间叫存储转发时延

在分组交换机接收完毕整个分组数据以后，肯定要继续传输到目标主机上，每个分组交换机上都连接了很多链路(主机)，每条链路都有一个输出队列(output queue,也称输出缓存)

假如某个分组需要传输到某个链路上的主机，而这条链路被另一个分组传输占用了，那么这个分组就必须在输出队列里排队等待,这个等待的时间叫排队时延(queuing delay)，类比收费站排队等待过关时浪费的时间。

但是输出队列的缓存空间是有限的，如果他被撑爆了，将会出现数据丢失，这又被称为分组丢失(packet loss)，俗语叫丢包。

收费站收钱，然后给卡的过程浪费的时间，叫传输时延(transmission delay)，也就是分组交换机发出去那一瞬间浪费的时间，一般极短。

传输出去以后，数据在路上跑，跑到下一个交换机之前，在路上浪费的时间叫传播时延(propagation delay)

在整个过程中，端系统经过一个一个的路由器/交换机，最终到达目的端系统浪费的总时间叫端到端时延，也可以用第五节提供的跟踪工具可以看到三次握手分别浪费的时间，是不是很酷。

一根100M带宽，如果全部跑满，他的峰值吞吐量(throughput)就是12Mbps,吞吐量就是单位时间内成功地传送数据的数量(以比特、字节、分组等测量)

我们的家庭网络一般都是使用局域网(LAN)接入，其实也是带宽共享的一种。一般来说，整个小区是一个局域网，与电信骨干网相连接的带宽总出口如果有100M，也就是说，如果小区内有一百人同时在线，那么就是有一百人在共享这100M的带宽，因此，共享带宽下的宽带接入，在上网用户稍多时可能速度会有所降低。

在宽带较不普及的小区，共享带宽会有很高的性价比，因为共享带宽比较便宜，又正好没人和你抢带宽;但如果在宽带较普及的小区，可以用ADSL(全称为 Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路)，每个用户的网络终端都有单独的一条线路与ADSL局域端相连，可以保证所有带宽是由每一用户独享的，即使用户激增，其速度也不会减慢。

但是现在都到21世界20年代了，ADSL是用电话线上网，最大理论上行速率可达到 1Mbps，下行速率可达 8Mbps，早被淘汰了，老老实实用LAN，办大一点的宽带才是王道，有线有条件直接拉光纤，我在网上查到的市场价，100M的光纤大概一年一千多，不过就得你们小区有没有了。

附两个简单直接的增强wifi信号方法：

• 买wifi放大器，信号放大器接收主路由器的信号，放大之后再发射出来，因此家里的信号还是同一个，手机、Pad 会连接质量较好的信号。
• 在装修的时候多埋一根网线，从主路由器位置延伸到信号不好的地方，再接一个路由器，主副路由器之间通过各自的 LAN 口连接起来，此时副路由器相当于无线交换机。

其他方法以后再说。

九、为什么你的电脑会受到攻击?

目前的互联网已经全面覆盖了我们日常的工作、生活，包括各种政府机关、企业学校，无数的可穿戴物品、家用智能设备通通都和互联网相连，在互联网某个阴暗潮湿的角落，有一批人专注攻击破解、盗取用户个人信息、侵犯隐私、盗取政府、银行资料，秘密调取账户资金，所以在享受互联互通便利的同时，网络安全值得我们的重视，好在有一批大侠，默默在各行各业守护我们的网络，他们就是白客(不是王大锤)。

假如你正在和你心爱的女孩在网上聊天，你肯定不希望聊天内容被第三个人看见，这就是网络安全的机密性。

你看不到她的样子听不到声音，你要确保和你聊天的人真的是她，而不是中间有人截获信息和伪装成她，这就是端点鉴别技术。

即使真的是他，你也希聊天内容不要被中间人篡改，曲解她的意思，这就是报文完整性。

你希望聊天软件不要突然崩溃，也希望不要因为接收什么奇怪的文件导致手机上的相片、银行卡验证信息被别人知道，在聊天真的被监听、以及伪装的时候，你也希望快速的发现，或者在源头上规避这些风险，这也就是网络安全存在的意义。

1. 被黑客盯上的攻击目标有哪些?

• 黑客会攻击我们的硬件：计算机、网络设备和外围设备，计算机目标是计算机组件，如 CPU 和硬盘。网络设备可能是路由器、交换机或集线器等设备。外围设备是除主机外的所有设备(如摄像头、打印机、U 盘等)。
• 他们还会攻击我们的软件：操作系统和应用程序。操作系统目标是操作系统本身(如windows)，而应用程序目标是运行在操作系统上的各种程序。
• 攻击我们的网络，以网络本身或其协议为目标，导致网络瘫痪或者欺骗源、目的地的网络导致身份识别出错等

2. 让我们来看看他们的攻击方式!

• 病毒：通过某种形式的受感染文件传播的自我复制程序。
• 蠕虫：在不使用受感染文件的情况下传播的自我复制程序;通常蠕虫通过计算机上的网络服务或电子邮件传播。
• 特洛伊木马程序：伪装成正常的程序运行，具有某种恶意目的。
• 缓冲区溢出：通过溢出另一个进程的缓冲区获得控制或使另一个进程崩溃的进程
• 拒绝服务攻击：阻止合法用户访问或使用主机或网络的攻击。
• 网络攻击：通过操纵网络协议(从数据链路层到应用层)攻击网络或网络上的用户的攻击。
• 物理攻击：这种攻击非常危险，基于破坏网络或计算机物理部件的攻击，可能会导致电脑报废
• 密码攻击：旨在获取密码的攻击，例如键盘记录器、伪装成正常网站欺骗用户输入密码的钓鱼网站
• 信息收集攻击：在攻击中不进行物理或数字伤害，也不发生颠覆，但攻击者获取重要信息的攻击，可能用于进一步的攻击。

以上方式不包括一些未知的方式。

3. 如何防范?

• 只要有网的地方，就可能面临攻击，作为一个普通人而言应该具备良好的网络安全意识，不要每个平台都设置成一样的密码、定期更换密码、设置强密码;
• 在http开头的网站上要格外小心;
• 本地储存的敏感文件进行加密;
• 不要点开陌生人发来的邮件特别是打开附件;
• 使用值得信赖的软件、安全类软件、及时清理自己的隐私记录、设置防火墙。

你还有什么互联网安全的防范方式，可以在评论区和我讨论!

总结

这篇文章通过九个问题带你进入了网络世界的大门，看完以后你应该了解了

我们为什么可以联网、信息是传递和接收的过程、是谁在给我们提供互联网联网服务和内容服务、网络通信协议和分层、互联网中的各种网络设备以及他们的作用、网络安全常见攻击手段等内容。

感谢你的阅读和关注，我们下次再见。