科普|互联网的"硬核"技术
互联网的构成要素，第一是计算单元，也就是连接的对象，或者称为通信主体，即网络中大量存在的具有独立功能的计算机，两台或两台以上的计算机才能构成网络。第二就是连接计算单元的计算机网，包括通信设备和通信协议。通信设备负责在网络间传输数据包信息，包括交换机、网桥、网关、路由器等设备。而两台计算机要相互通信，就象两个人要相互交流，必须使用共同的语言，这种"语言"就是互联网协议。目前全球互联网主要应用的是TCP/IP协议。
TCP/IP：互联网的第一基因
互联网是个不断发展的网络，但始终不变的就是TCP/IP协议。可以说对于互联网，TCP/IP就像基因一样，甚至可以这样认为：只有采用TCP/IP协议的网络才叫互联网，其他的都不是真正意义上的互联网。
图1 TCP/IP 协议工作原理
绘图者Vint Cerf 是TCP/IP 协议发明人之一
TCP/IP是一个协议族，主要包括两个部分，即TCP协议和IP协议，这两个协议在数据传输过程中主要完成以下功能：
1.首先由TCP协议把数据分成若干数据包，给每个数据包写上序号，以便接收端把数据还原成原来的格式。
2.IP协议给每个数据包写上发送主机和接收主机的地址，一旦写上源地址和目的地址，数据包就可以在物理网上传送数据了。IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能。就像寄信一样，不但有清楚准确的寄信地址和收信地址，邮递员还会智慧地选择最快的路径，将信送到收信人手中。
3.数据包可以通过不同的传输途径(路由)进行传输，由于路径不同，加上其它的原因，可能出现顺序颠倒、数据丢失、数据失真甚至重复的现象。这些问题都由TCP协议来处理，它具有检查和处理错误的功能，必要时还可以请求发送端重发。简言之，IP协议负责数据的传输，而TCP协议负责数据的可靠传输。
分层OSI：互联网的"逻辑"哲学
TCP/IP是互联网开放性的通信系统互连参考模型（OSI）的重要组成部分，而OSI则是构建整个互联网大厦的基础模型。互联网结构设计师借鉴了建筑学的"结构"理念，将OSI划分为7层结构，从上到下分别是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。每一层发挥不同的作用：
物理层很直观，与数据处理没有直接关系，只负责连接计算机与设备或者计算机与计算机，比如网卡与通讯电路的连接；
数据链路层负责保障数据在通信介质上以"帧"的形式传输，并且通过使用物理层地址(如MAC地址)来确认这些数据被发送至何处；
网络层定义了两个终端之间的连接，并为分组数据包选择优化的传输路径；
传输层，为了实现可靠性的通信，该层负责建立、维持释放虚电路，检测并纠正通信链路，提供流量控制服务以防止通信对方数据溢出，传输层隐藏通信实现的细节，向上层提供数据通信服务；
会话层规定了通信开始和结束时发送的数据形式等内容，"会话"是指两个通信系统之间进行逻辑通信，应用数据在该层内建立逻辑上的从传输开始到结束的过程通信链路；
表示层负责定义传输数据所用的压缩方式以及数据的表现形式等；
最后是应用层，我们日常所用的电子邮件SMTP、文件传输FTP、使用Web浏览器浏览网页HTTP等，都是在这一层完成特定目的应用的软件规格定义。
分层结构的优点是显而易见的，首先，人们可以很容易的讨论和学习协议的规范细节；其次，层间的标准接口方便了工程模块化；第三，分层的模式为数据传输创建了一个更好的互连环境，降低了复杂度，使程序更容易修改，产品开发的速度更快；最后，每层利用紧邻的下层提供服务。
窄腰："神"一样的结构
温登·瑟夫 互联网体系结构的发明人、图灵奖获得者
互联网之所以能够"互联"，"窄腰结构"功不可没。窄腰结构是基于TCP/IP协议和互联网层级模型实现的独特的互联网体系结构特征。TCP/IP使得互联网能够向下兼容所有通讯手段，向上支持任何应用（如图2）。互联网体系结构的发明人、图灵奖获得者温登·瑟夫指出，互联网在设计之初，就定义了原型必须满足五个条件：第一，互联网不是为任何特殊应用而设计的网络，这是互联网的普适性：像传送明信片一样，语音、视频、IP电话……任何应用都可以在互联网上得到支撑。第二，可以运行在任何通信技术之上，包括电子电路、微波、光纤、无线、3G/4G/5G……。第三，允许在网络边缘创新，不需要为增加任何新的应用和服务而改变网络结构，这就是窄腰结构的优势，基本结构保持不变，应用可以无限扩展。第四，可扩展。互联网需要支持用户规模的持续扩大，现在互联网上连接的用户已经近40亿，IPv4的地址空间不足，因此发展IPv6势在必行。第五，互联网向任何新协议、新技术和新应用开放。
图2 互联网窄腰结构示意
互联网上的应用千变万化，今天互联网领域热议的云计算、大数据、物联网、智能制造、人工智能，以及应用互联网解决行业需求的工业互联网、能源互联网、金融互联网等，中国"互联网+"发展战略定义的13个产业领域互联网，都以互联网为基础支撑平台。互联网在不停的变化、演进、升级、扩展，但互联网的体系结构始终保持稳定，这就体现出了"窄腰"的价值和优势。窄腰的技术结构非常简单，但其厉害之处也恰恰就在于简单，它使人能够在这个"窄"平台上进行任何的创新。你不需要知道数据包走的是哪一条链路，不需要了解路由器的工作状态，也不需要为复杂的处理和传输的过程担忧，就像姚明传球，不需要关心下一个接球的潘长江够不够得着一样。
窄腰结构为互联网打开了创造的阀门。只要你需要就可以有创新的应用来满足你，只要有应用就一定有更高速、更便捷的通信方式支持。互联网之父可能想不出微信、微博、APP这些"古怪"东西，但有了互联网，任何人的智慧都被激发和汇集在一起，构建了今天庞大的互联网生态系统，开放、共享、竞争、创新、迭代，最后沉淀下来的必然都是闪闪发光的"真金"。
（来源：《中国教育网络》2019年5月刊）