簡單解釋, 當你的操作系統連接特定 HTTP 服務, 比如 http://www.gstatic.com/generate_204, 如果能夠返回 204 狀態碼, 那就基本說明你連接上網絡了. 如果被 301, 說明你已經有 IP, 但是你的網絡可能是一個付費網絡, 會跳轉到一個頁面讓你付錢/登陸. 如果無法解析域名/創建 TCP 連接, 說明你的三層/四層網絡存在問題, 再下去多半是網線沒插之類的物理層問題.

至于 TCP/UDP(一般主要是為了 DNS) 無法創建, 有可能是因為沒路由, 或者是 SYN 過去沒包回來超時, 或者是 SYN 飛過去, 中間路由 ICMP 告訴你目標不可達; 如果是創建 socket 失敗說明可能沒三層 IP, 沒 IP 可能是因為沒網卡/沒插網線/二層里沒有 DHCP 或者沒有設置 IP.

但是你看到這些沒明白, 你看下面可能都不見得明白. 很多人自以為明白上面那些內容, 實際上不少觀點還是錯誤的.

首先就是很經典的五層網絡模型:

首先從物理層開始說.

所謂物理層, 就是雙絞線/光纖/無線電等傳輸介質. 比方說電腦上顯示的「網線已經拔出」, 就說明物理層沒有建立鏈接. 還有就是雙絞線以太網的速度協商, 光模塊的功率協商, 各種無線網絡的時分/碼分/空分/功率協商技術都是物理層的體現.

無線網絡的頻率,信噪比, 帶寬, 物理模式

光模塊的信息, 包含了波長, 電壓, 功率, 發射/接收功率(信噪比)

有線網絡的狀態

接下來就是媒體訪問控制層, 也即是 MAC 層, 簡稱二層, 代表的以太網設備有交換機/無線AP.

首先要確定, 我們的以太網是一個「分組傳輸」機制, 也就是數據流(stream), 會被切成分組(packet), 而每個數據分組都有可能因為各種問題, 比如你的網線質量不好, 然后產生錯誤被分組內的校驗和檢查出來, 然后被交換機丟掉; 與分組傳輸機制對應的就是「電路交換」, 比如工作在電路域的電話, 本質上是機器代替人工幫你完成了從你的電話到你交流的人的線.

而分組在二層上的大小, 被稱為 MTU, 最大傳輸單元, 超過這個大小, 就會嘗試調整或在三層進行拆分;所有以太網二層設備都會有一個能接受的最大 MTU, 和一個標記設備的 mac 地址. 這個地址的前 24bit 是 vendor ID, 廠商編號

這一層包含了著名的 ARP 協議(地址解析協議), 簡單來說就是用于完成 IP 地址-> mac 物理地址的轉換, 就好比教室里你喊一聲某個同學的名字, 然后那個同學/知道那個同學的人就會回答你他所在的座位坐標. 如果多個 mac 地址對應了一個 IP 地址, 我們就說 IP 地址發生了沖突, 好比兩個人坐在了一個位置上.

以及還有 IPv4 里面非常基礎的 DHCP 協議, 這個協議好比一個老師, 當你沒有就坐(沒有分配到 IP 地址)的時候, 可以聽到老師(們)宣布分配座位的廣播, 然后你選擇一個選擇老師的分配廣播, 請求這個老師為自己分配位置. 當然這個位置是有時間限制的, 到這個期限之前就要提出續約, 當然老師也可要求你改變位置. 當然你自己也可以坐在一個固定位置, 相當于手工設置 IP(但是如果和別人不在一個子網(subnet)里面, 除非有人充當 arp proxy 的角色, 不然你就無法和不在一個子網的同一個二層人進行 IP 的傳輸.

DHCP 的狀態機

其中大多數操作系統當檢測到鏈接到一個二層但是沒有 DHCP 的時候, 就會使用一個特殊的 link-local 機制, 為自己分配一個 169.254.0.0/16 的地址, 后面的 /16 是根據自己 mac 地址的填充. 所以當你把兩臺電腦直接用 RJ45 網線連接在一起的時候, 理論上常見的操作系統的 DHCP client 都會配置上這個地址, 從而允許通過 IP 連接.

而 IPv6 不主張使用 DHCP 的分配模式, 而是使用類似 link local 那樣的自己設置+隨機生成的模式, 讓設備拿到, 這套機制叫 SLAAC, 借助的協議叫做 NDP, 其中需要二層網絡里面有一個三層路由器宣告自己的 IPv6 路由, 大概就是比如說 2001:2333::2a4e/48是你的路由器, 他告訴這個網絡的人他有到 2000::/3(差不多是 IPv6 的公網地址) 的路由, 那么你就可以通過他的地址前綴 2001:2333::/48 給自己取名字. 其中一個相對固定的名字是通過你的 mac 地址來確定, 而因為 SLACC 地址前綴都只要有 /64, 所以就需要一套機制完成 48bit 的 mac 地址到 64bit, 即 EUI64. 除了這個地址之外就是一些臨時地址, 直接隨機生成, 用于提供 IPv6 的匿名性.

所以簡單說二層的意義就是讓一堆在不同物理層的設備連接在一起交換數據, 同時為各種三層上的數據連接/交換做準備.

然后就是三層, 也叫做 IP 層. 其實我們在以太網二層里面講了很多三層的信息. 其實簡單的說一二層的各種作用就是讓我能夠拿到 IP 地址, 并且能和其他 IP 地址的設備進行通信:

我們通過 DHCP/PPPo/SLAAC 拿到 IP 地址, 但是不足以說明我們真的能連上互聯網. 所以三層的重點就在于路由. 所謂路由就好比剛才那個給你分配地址的 DHCP 老師, 他告訴你, 如果你要訪問別的班級, 那么你需要把信息傳達給一個中介, 這個中介很多時候就是這個老師, 有的時候就是別的同學; 這個中介通常叫做網關, 而作為一個萌新, 你通常也不會有別的路由, 所以這個網關帶來的路由意義就很重要, 通常就叫做「默認路由」, 剛才提到的 2000::/3, 就是 IPv6 里面最重要的一類「默認路由」.

然而這個經過路由后面的交換層不一定就是你要訪問的對象, 還要經過別的路由器. 通常來說就需要各種路由協議讓各個路由器之間互相交換信息, 這里根據很多路由協議, 比如基于距離向量的 RIP, 還有基于圖論 Dijkstra 最短路徑算法的 OSPF, 還有像是 IS-IS 協議. 當然這些都是 AS 內的協議, 在今天互聯網起著決定性作用的協議還是 BGP 協議. 同時 BGP 協議關聯的還有 IP 地址塊的分配.

然而三層本身還是有個問題: 他仍然是一個分組交換. 換句話說, 你發一個 ICMP echo(也就是經常說的 ping 包), 中間路由任何一條丟了就沒了. 但是你訪問的網頁所建立的連接 就不能因為一個包丟了就完全壞了, 所以我們還需要一層.

這就是傳輸層, 最典型的協議就是 TCP 和 UDP.

先說 UDP, UDP 就是在 IP 包的基礎上加上端口機制, UDP 本身沒有連接的概念, 也就是有一說一, 直接發了就行. 然后從你自己的一個信箱(端口)發了之后就到了另外一個端口(信箱), 這樣對面的應用就能讀這個信箱.

而 TCP 不僅僅是在 IP 包上加了端口那么簡單, 更重要的是他提供了一種可靠的交付方式, 即 ARQ 機制, 換句話說兩邊建立連接之后發送的所有內容, 都會有個「簽收」機制保證到達, 如果不到的話就會重發; 并且有擁塞控制機制, 防止因為發送速率過快導致中間路由超載(buffer 用完)導致的大量丟包, 讓速度維持在一個可靠的位置.

但是 TCP 的可靠是有代價的, 首先它需要建立連接, 而 UDP 直接發包就行. TCP 監測到自己發送的包丟失之后, 會暫時停止/減慢后面的數據包的發送, 主要會先把漏掉的包補上. 而監測到對面過來的數據包丟失的一邊, 這個丟失數據包后面的包則無法交付給用戶, 所以就會造成一個瞬間的大延時. 也就是所謂的 TCP 的實時性差. 借助 TCP 的語音/直播應用, 就需要加入比較的緩沖空間, 避免這些延遲造成的中斷. 換句話說就是用一個固定的延遲中和掉了隨機產生的大延遲, 讓人感覺連接沒有中斷. 而 UDP 雖然實時性好, 但是就 UDP 協議棧本身沒法抵抗丟包, 除非應用有一套類似的 ARQ 機制, 或者 UDP 發送的內容里面包含了冗余編碼, 從而在個別包丟失的情況下, 其他抵達的包仍然能還原內容. 特別是音頻/視頻應用里面這種技術非常的有用. 換句話說丟包對于這些有冗余設計的應用來說只是短暫降低了傳輸的質量, 但是并不會造成業務的中斷.

有了 TCP 我們就可以建立連接. 但是連接之上我們需要一套協議, 用戶規范連接里面的「禮儀」, 也就是各種各樣的協議, 其中使用最廣泛的代表就是 HTTP 協議. HTTP 不僅僅是用來傳輸文本, 比如網頁, 還包含了 RPC 的基本設計理念, 比如 RESTful, 就好比你用 HTTP 傳輸你點個外賣的信息, POST 方法就是發出點外賣的請求, PUT 方法就是改變外賣訂單信息, GET 方法就是獲取訂單狀態, DELETE 方法就是撤銷訂單. 同樣類比, 你查看這個回答就是 GET, 提交評論是 POST, 修改提交的評論是 PUT, 刪除評論是 DELETE. 這樣一套標準就能很方便實現各種功能.

但是問題在于這套協議構建在明文的 TCP 之上, 所以我們就需要 TLS/SSL 加密保護我們的 TCP 連接. 被 TLS/SSL 保護的 HTTP 也被叫做 HTTPS. 而加密之外還要進行身份驗證(使用非對稱密鑰), 不能連上假的知乎, 那么就需要 PKI 機制去驗證這個知乎的真偽. 然后驗明正身的同時還需要協商出一把公共密鑰(使用非對稱密鑰或者 DH 算法生成公共秘密)和對稱加密算法(加解密是同一把密鑰), 用于加密雙方通信.

DigiCert 簽發的知乎域名證書

這里展示了加密了 TLS 的版本, 密鑰協商算法 ECDHE_RSA, 非對稱橢圓曲線算法 X25519 用于身份驗證, AES-128-GCM 用于對稱密鑰加密傳輸, 其中還有一個消息摘要/哈希算法沒有展示, 目前安全的算法通常是 SHA256, 還有 SHA3, 以及國密 SM3 干的也是這個事情

然后我們又回到最初的那段話了, 如果我們的 HTTP 返回的是 204(注意那個頁面就是為了返回 204), 說明你大概率連上了互聯網, 只不過身份確認無法做. 而還有個情況就是中間有人通過 DNS/路由/HTTP 劫持等手段掌握了你的 HTTP 連接(HTTPS + HSTS 做不到), 那么他就能發出 301 請求, 把你定位到另外一個頁面, 這種技術通常叫做 portal, 也就是常見讓你在付費的免費 Wi-Fi 下, 系統彈出一個頁面讓你登陸/付費.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的电脑是怎么知道它自己已经联上网怎么知道电脑有没有联网的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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