??計算機學院或者軟體學院畢業的小伙伴必然學過《計算機網路》這門課，作為一個小小的考驗，我們來稍微思考一下這么一個問題：
??計算機的通信協議跟手機的通信協議有什么區別？TCP/IP協議和4G/5G的LTE，GSM等區別，
??要解釋這個問題，先從分層模型講起，在課本中會給出國際標準化組織ISO的OSI七層模型和TCP/IP五層模型，

??這張圖可以說相當經典，每本課本講到這里都還會舉個坐飛機的例子，說到分層的優點大家都會背：

（1）人們可以很容易的討論和學習協議的規范細節，
（2）層間的標準介面方便了工程模塊化，
（3）創建了一個更好的互連環境，
（4）降低了復雜度，使程式更容易修改，產品開發的速度更快，
（5）每層利用緊鄰的下層服務，更容易記住個層的功能，

但其實很難體會它真正的用處，看完下面的講解大概就能體會到分層的好處了，
??TCP/IP通過競爭慢慢地戰勝了其它一些網路協議方案，包括OSI七層模型，TCP/IP實際上是一個四層的體系結構，主要包括：應用層、傳輸層、網路層和網路介面層，如圖：

從實質上講，TCP/IP協議堆疊起始于第三層協議IP(互聯網協議) ，所有這些協議都在相應的RFC檔案中討論及標準化，可以說TCP/IP協議堆疊只有上邊三層，網路介面層沒有什么具體的內容，

??值得一提的是，重要的協議在相應的RFC檔案中均標記了狀態: 必須 (required) ，推薦(recommended) ，可選(optional) ，其它的協議還可能有"試驗"(experimental) 或"歷史"(historic) 的狀態，如圖：

??所有的TCP/IP應用都必須實作IP和ICMP，應用層和網路介面層的大部分協議都 并不是TCP/IP協議組的“必須”協議，也就是說網路介面層的協議有多種選擇，

有線局域網

??目前的以太網幾乎占領著所有的有線局域網市場，在早些時期，還有其它的局域網技術，如令牌環、FDDI、ATM(Asynchronous Transfer Mode，異步傳輸模式)等等，雖然這些技術也抓住了部分市場，但是以太網1980發明以來，就不斷演化和發展，直到今天，以太網成為應用最廣泛的有線局域網技術，以至于以太網幾乎成為局域網的代名詞，
??以太網并不是單一的協議標準，它有很多技術，如：10BASE-T、10BASE-2、100BASE-T、1000BASE-LX和10GBASE-T，這些已經被IEEE 802.3作業組標準化了，其中10和100表示速率，10Mbps、100Mbps和10Gbps，"BASE"指基帶以太網，幾乎所有的802.3標準都適用于基帶以太網，最后一部分指物理媒介，以太網是鏈路層和物理層的規范(統稱網路介面層)，并且能夠使用各種物理媒介，如：同軸電纜、銅線和光纖，一般來說，T是指雙絞線，我們平時用的網線都是雙絞線，

無線局域網

??無線局域網和有線局域網一樣，上世紀90年代研發了很多無線局域網的標準和技術，但目前來看，有一類標準明顯已經成為了贏家：IEEE 802.11 無線LAN，也稱WiFi，沒錯，我們平時說的連WiFi、蹭WiFi，指的就是這個，
??IEEE 802.11協議族有幾套無線局域網的標準，如下表：

??不同的802.11標準都具有一些共同的特征，例如：都使用相同的媒體訪問協議CSMA/CA；鏈路層都使用相同的幀結構；都具有減少速率以伸展到更遠距離的能力，
??802.11設備作業在兩個不同的頻段上：2.4到2.485GHz（稱為2.4GHz頻段）和5.1~5.8GHz（稱為5GHz頻段），2.4GHz頻段是一種無須執照的頻段，也就意味著，同樣使用2.4GHz的電話、微波爐、藍牙耳機等設備可能會爭用該頻段，我之前就有過體會，筆記本連的是WiFi(2.4GHz)，連上藍牙耳機后網路就有點卡，我們也可以在網路屬性里看到，如圖：

??我的無線網卡雖然支持802.11n協議，但是只作業在2.4GHz頻段，就算作業在5GHz頻段，速率也是沒有802.11ac快的，現在市面上的筆記本的無線網卡基本上都支持WiFi 6了，早在2018年，Wi-Fi聯盟便將基于802.11ax標準的Wi-Fi正式納入正規軍中，通過推廣802.11ax的機會，將Wi-Fi規格重新命名，新標準802.11ax改名為Wi-Fi6，具體對應關系如下表：

下面開始鏈路層和物理層合稱網路介面層，

藍牙和ZigBee

??除了WiFi以外，還有兩個無線協議：藍牙和ZigBee，藍牙定義在IEEE 802.15.1標準中，IEEE 802.15.1網路以低功率和低成本在小范圍內運行，本質上是一個"電纜替代"技術，平時我們也能發現，藍牙主要用于計算機與無線鍵盤、滑鼠、耳機等外部設備的互聯，所以藍牙也被稱為無線個人域網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)，藍牙也是定義的網路介面層，以TDM方式作業于無須許可證的2.4GHz頻段，802.15.1能提供高達4Mbps的數率，藍牙通常用于自組網路，也就是不需要網路基礎設施(如AP)來互連藍牙設備，這就意味著藍牙不能上網，
??有人可能會問，同樣是無線協議，同樣定義在網路介面層，為什么WiFi能上網，而藍牙就不行，我們講下層為上層協議提供了一個統一的介面，隱藏了實作細節，網路層并不關心底層是雙絞線還是無線，不管你是以太網還是WiFi，它只是通過介面獲取下層提供的服務，那么為什么藍牙不行？
??雖然藍牙協議結構和802.11協議的結構圖類似，都包括最下的物理層和中間的資料鏈路層，但是藍牙協議還包括了一個中間層協議和最后的應用層協議，而且，某些控制資料和音頻資料完全不經過中間層，是直接從Baseband到達應用層，甚至也跨過了部分資料鏈路層的結構，所以藍牙并不能加入TCP/IP體系，也就不能上網，不過倒也有方法，兩臺手機開啟藍牙共享功能，一臺手機通過移動資料或者WiFi聯網，另一臺手機可以在只開啟藍牙的情況下上網，
??ZigBee被定義在IEEE 802.15.4標準中，它與藍牙目標不同，ZigBee的服務目標是低功率、低速率、低作業周期的應用，因為并非所有的網路應用都需要高帶寬和隨之而來的高成本，比如，家庭溫度和光線傳感器、安全設備和墻上安裝的開關都是非常簡單、低功率、低作業周期、低成本的設備，ZigBee非常適合這些設備，和藍牙一樣，也是用于自組網路(Ad Hoc)，

移動蜂窩網路

??雖然目前5G已經大行其道，但我們依然拿4G來舉例，原理都差不多，
??首先，4G也是屬于網路介面層，也就是說，我們使用4G上網，上層還是走的TCP/IP協議堆疊，有人可能聯想到WiFi，同樣是定義了物理層和鏈路層，上層同樣是TCP/IP協議堆疊，同樣是無線網路協議，是不是WiFi和4G就差不多呢，
??實際上，4G和WiFi非常不同，舉幾個我們能明顯感受到的不一樣：不管是以太網還是WiFi，都有MAC地址和網關；而在4G里面沒有MAC地址和網關的概念（如果要類比的話可以把PGW看作是網關，它負責分配IP和DNS），如圖：


??說到4G就不得不說到一個組織：3GPP，很多人以為3GPP是制定3G標準的，其實不是，他們是負責整個移動蜂窩網路的標準化作業的，另外很多人會把4G和LTE混為一談，4G全稱是第四代移動通信技術(the 4th generation mobile communication technology)，只是一個標準，是由3GPP組織負責定制的，只要你的協議能達到4G的標準，你就可以稱為4G，
??至于為什么需要蜂窩網路，而不直接使用WiFi作為無線接入，那是因為WiFi接入區域范圍在10~100米，因此我們需要在WiFi熱區外接入互聯網時就需要蜂窩網路，因為蜂窩電話早就已經普及了，很自然想到擴展蜂窩網路，使它們不僅支持語言電話，也支持無線互聯網接入，
??不過4G和之前的3代還是很有區別的，第一代（1G）系統是模擬FDMA系統，專門用于語音通話，后來被2G系統替代，2G系統也是為語音通話設計的，后來擴展了對因特網的支持（2.5G），3G系統支持語音和資料，但更強調資料能力和更高速的無線接入，到了基于LTE技術的4G系統，其特征是全IP核心網路，
??現在我們打電話也是走的IP網路，不過也不是所有的都是，有這種場景：我們在接電話時就不能上網了，而且4G的標志也變成了2G，這因為語音服務用的不是上述模型，在打電話時，占用了4G所在的頻段，所以就不能上網了，有一種VoIP的語音通話技術，它是基于IP的語音傳輸，在4G中的應用就是VOLTE，也就可以分為下面兩種：

（1）VOLTE ，采用與資料傳輸同種形式，
（2）CSFB (電路域衰落)，采用2G網路傳輸語音，

??當使用VOLTE技術時，會用到IP層及以上的部分協議，當采用CSFB衰落到2G網路時，運營商有專門的語音網路，在這個網路上只支持手機，不支持互聯網其他設備接入，不必考慮其它層的資料封裝，此時整個網路模型只有物理層和MAC層，沒有上層，現在大部分手機都是使用VOLTE進行通話，

總結

??4G和WiFi都是屬于網路介面層，上層都是走的TCP/IP協議堆疊，4G和WiFi都是輸入接入網的范疇，核心網相同，WiFi屬于局域網范疇，和以太網理念一樣，底層使用MAC地址在局域網內通信，4G嚴格來說沒有局域網的概念，使用移動資料網路時主要靠IMSI碼，需要鑒權、注冊等一系列動作，這些大部分靠我們插入的SIM卡來完成，總之，4G的技術比WiFi要復雜很多很多，因為4G要考慮的東西非常之多，4G相關的技術常見的有：

1、LTE技術標準，
2、LTE-Advanced技術標準（分為TD-SCDMA直接進化的TDD和WCDMA直接進化的FDD兩種標準），
3、WiMax技術標準，
4、HSPA+技術標準，
5、WirelessMAN-Advanced技術標準，

??我國三大運營商采用的都是第2種技術，FDD-LTE和TDD-LTE都有，蜂窩網路是一個龐大的體系，無法詳盡展開，在《計算機網路·自頂向下》這部書中的第7章有詳細的介紹，這本書也是我老師推薦我讀的，確實不錯，對于想深入了解計算機網路的可以看看，這本書已經出到了第7版，目前最新的一版，為了方便大家學習，我已經將其打包，可以在公眾號：極客隨想中獲取，在公眾號內回復訊息：計算機網路，就可獲取資源，