文章出自 |《趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議》

長時間從事計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的工作，我發(fā)現(xiàn)，計算機網(wǎng)絡(luò)有一個顯著的特點，就是這是一個不僅需要背誦，而且特別需要將原理爛熟于胸的學科。很多問題看起來懂了，但是就怕往細里問，一問就發(fā)現(xiàn)你懂得沒有那么透徹。

我們上一節(jié)列了之后要講的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這些協(xié)議本來沒什么稀奇，每一本教科書都會講，并且都要求你背下來。因為考試會考，面試會問。可以這么說，畢業(yè)了去找工作還答不出這類題目的，那你的筆試基本上也就掛了。

當你聽到什么二層設(shè)備、三層設(shè)備、四層LB和七層LB中層的時候，是否有點一頭霧水，不知道這些所謂的層，對應(yīng)的各種協(xié)議具體要做什么“工作”？

這四個問題你真的懂了嗎？

因為教科書或者老師往往會打一個十分不恰當?shù)谋扔?#xff1a;為什么網(wǎng)絡(luò)要分層呀？因為不同的層次之間有不同的溝通方式，這個叫作協(xié)議。例如，一家公司也是分“層次”的，分總經(jīng)理、經(jīng)理、組長、員工。總經(jīng)理之間有他們的溝通方式，經(jīng)理和經(jīng)理之間也有溝通方式，同理組長和員工。有沒有聽過類似的比喻？

那么第一個問題來了。請問經(jīng)理在握手的時候，員工在干什么？很多人聽過TCP建立連接的三次握手協(xié)議，也會把它當知識點背誦。同理問你，TCP在進行三次握手的時候，IP層和MAC層對應(yīng)都有什么操作呢？

除了上面這個不恰當?shù)谋扔?#xff0c;教科書還會列出每個層次所包含的協(xié)議，然后開始逐層地去講這些協(xié)議。但是這些協(xié)議之間的關(guān)系呢？卻很少有教科書會講。

學習第三層的時候會提到，IP協(xié)議里面包含目標地址和源地址。第三層里往往還會學習路由協(xié)議。路由就像中轉(zhuǎn)站，我們從原始地址A到目標地址D，中間經(jīng)過兩個中轉(zhuǎn)站A-\u0026gt;B-\u0026gt;C-\u0026gt;D，是通過路由轉(zhuǎn)發(fā)的。

那么第二個問題來了。A知道自己的下一個中轉(zhuǎn)站是B，那從A發(fā)出來的包，應(yīng)該把B的IP地址放在哪里呢？B知道自己的下一個中轉(zhuǎn)站是C，從B發(fā)出來的包，應(yīng)該把C的IP地址放在哪里呢？如果放在IP協(xié)議中的目標地址，那包到了中轉(zhuǎn)站，怎么知道最終的目的地址是D呢？

教科書不會通過場景化的例子，將網(wǎng)絡(luò)包的生命周期講出來，所以你就會很困惑，不知道這些協(xié)議實際的應(yīng)用場景是什么。

我再問你一個問題。你一定經(jīng)常聽說二層設(shè)備、三層設(shè)備。二層設(shè)備處理的通常是MAC層的東西。那我發(fā)送一個HTTP的包，是在第七層工作的，那是不是不需要經(jīng)過二層設(shè)備？或者即便經(jīng)過了，二層設(shè)備也不處理呢？或者換一種問法，二層設(shè)備處理的包里，有沒有HTTP層的內(nèi)容呢？

最終，我想問你一個綜合的問題。從你的電腦，通過SSH登錄到公有云主機里面，都需要經(jīng)歷哪些過程？或者說你打開一個電商網(wǎng)站，都需要經(jīng)歷哪些過程？說得越詳細越好。

實際情況可能是，很多人會答不上來。盡管對每一層都很熟悉，但是知識點卻串不起來。

上面的這些問題，有的在這一節(jié)就會有一個解釋，有的則會貫穿我們整個課程。好在后面一節(jié)中我會舉一個貫穿的例子，將很多層的細節(jié)講過后，你很容易就能把這些知識點串起來。

網(wǎng)絡(luò)為什么要分層？

這里我們先探討第一個問題，網(wǎng)絡(luò)為什么要分層？因為，是個復雜的程序都要分層。

理解計算機網(wǎng)絡(luò)中的概念，一個很好的角度是，想象網(wǎng)絡(luò)包就是一段Buffer，或者一塊內(nèi)存，是有格式的。同時，想象自己是一個處理網(wǎng)絡(luò)包的程序，而且這個程序可以跑在電腦上，可以跑在服務(wù)器上，可以跑在交換機上，也可以跑在路由器上。你想象自己有很多的網(wǎng)口，從某個口拿進一個網(wǎng)絡(luò)包來，用自己的程序處理一下，再從另一個網(wǎng)口發(fā)送出去。

當然網(wǎng)絡(luò)包的格式很復雜，這個程序也很復雜。復雜的程序都要分層，這是程序設(shè)計的要求。比如，復雜的電商還會分數(shù)據(jù)庫層、緩存層、Compose層、Controller層和接入層，每一層專注做本層的事情。

程序是如何工作的？

我們可以簡單地想象“你”這個程序的工作過程。

當一個網(wǎng)絡(luò)包從一個網(wǎng)口經(jīng)過的時候，你看到了，首先先看看要不要請進來，處理一把。有的網(wǎng)口配置了混雜模式，凡是經(jīng)過的，全部拿進來。

拿進來以后，就要交給一段程序來處理。于是，你調(diào)用process_layer2(buffer)。當然，這是一個假的函數(shù)。但是你明白其中的意思，知道肯定是有這么個函數(shù)的。那這個函數(shù)是干什么的呢？從Buffer中，摘掉二層的頭，看一看，應(yīng)該根據(jù)頭里面的內(nèi)容做什么操作。

假設(shè)你發(fā)現(xiàn)這個包的MAC地址和你的相符，那說明就是發(fā)給你的，于是需要調(diào)用process_layer3(buffer)。這個時候，Buffer里面往往就沒有二層的頭了，因為已經(jīng)在上一個函數(shù)的處理過程中拿掉了，或者將開始的偏移量移動了一下。在這個函數(shù)里面，摘掉三層的頭，看看到底是發(fā)送給自己的，還是希望自己轉(zhuǎn)發(fā)出去的。

如何判斷呢？如果IP地址不是自己的，那就應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果IP地址是自己的，那就是發(fā)給自己的。根據(jù)IP頭里面的標示，拿掉三層的頭，進行下一層的處理，到底是調(diào)用process_tcp(buffer)呢，還是調(diào)用process_udp(buffer)呢？

假設(shè)這個地址是TCP的，則會調(diào)用process_tcp(buffer)。這時候，Buffer里面沒有三層的頭，就需要查看四層的頭，看這是一個發(fā)起，還是一個應(yīng)答，又或者是一個正常的數(shù)據(jù)包，然后分別由不同的邏輯進行處理。如果是發(fā)起或者應(yīng)答，接下來可能要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包；如果是一個正常的數(shù)據(jù)包，就需要交給上層了。交給誰呢？是不是有process_http(buffer)函數(shù)呢？

沒有的，如果你是一個網(wǎng)絡(luò)包處理程序，你不需要有process_http(buffer)，而是應(yīng)該交給應(yīng)用去處理。交給哪個應(yīng)用呢？在四層的頭里面有端口號，不同的應(yīng)用監(jiān)聽不同的端口號。如果發(fā)現(xiàn)瀏覽器應(yīng)用在監(jiān)聽這個端口，那你發(fā)給瀏覽器就行了。至于瀏覽器怎么處理，和你沒有關(guān)系。

瀏覽器自然是解析HTML，顯示出頁面來。電腦的主人看到頁面很開心，就點了鼠標。點擊鼠標的動作被瀏覽器捕獲。瀏覽器知道，又要發(fā)起另一個HTTP請求了，于是使用端口號，將請求發(fā)給了你。

你應(yīng)該調(diào)用send_tcp(buffer)。不用說，Buffer里面就是HTTP請求的內(nèi)容。這個函數(shù)里面加一個TCP的頭，記錄下源端口號。瀏覽器會給你目的端口號，一般為80端口。

然后調(diào)用send_layer3(buffer)。Buffer里面已經(jīng)有了HTTP的頭和內(nèi)容，以及TCP的頭。在這個函數(shù)里面加一個IP的頭，記錄下源IP的地址和目標IP的地址。

然后調(diào)用send_layer2(buffer)。Buffer里面已經(jīng)有了HTTP的頭和內(nèi)容、TCP的頭，以及IP的頭。這個函數(shù)里面要加一下MAC的頭，記錄下源MAC地址，得到的就是本機器的MAC地址和目標的MAC地址。不過，這個還要看當前知道不知道，知道就直接加上；不知道的話，就要通過一定的協(xié)議處理過程，找到MAC地址。反正要填一個，不能空著。

萬事俱備，只要Buffer里面的內(nèi)容完整，就可以從網(wǎng)口發(fā)出去了，你作為一個程序的任務(wù)就算告一段落了。

揭秘層與層之間的關(guān)系

知道了這個過程之后，我們再來看一下原來困惑的問題。

首先是分層的比喻。所有不能表示出層層封裝含義的比喻，都是不恰當?shù)摹？偨?jīng)理握手，不需要員工在吧，總經(jīng)理之間談什么，不需要員工參與吧，但是網(wǎng)絡(luò)世界不是這樣的。正確的應(yīng)該是，總經(jīng)理之間溝通的時候，經(jīng)理將總經(jīng)理放在自己兜里，然后組長把經(jīng)理放自己兜里，員工把組長放自己兜里，像套娃娃一樣。那員工直接溝通，不帶上總經(jīng)理，就不恰當了。

現(xiàn)實生活中，往往是員工說一句，組長補充兩句，然后經(jīng)理補充兩句，最后總經(jīng)理再補充兩句。但是在網(wǎng)絡(luò)世界，應(yīng)該是總經(jīng)理說話，經(jīng)理補充兩句，組長補充兩句，員工再補充兩句。

那TCP在三次握手的時候，IP層和MAC層在做什么呢？當然是TCP發(fā)送每一個消息，都會帶著IP層和MAC層了。因為，TCP每發(fā)送一個消息，IP層和MAC層的所有機制都要運行一遍。而你只看到TCP三次握手了，其實，IP層和MAC層為此也忙活好久了。

這里要記住一點：只要是在網(wǎng)絡(luò)上跑的包，都是完整的。可以有下層沒上層，絕對不可能有上層沒下層。

所以，對TCP協(xié)議來說，三次握手也好，重試也好，只要想發(fā)出去包，就要有IP層和MAC層，不然是發(fā)不出去的。

經(jīng)常有人會問這樣一個問題，我都知道那臺機器的IP地址了，直接發(fā)給他消息唄，要MAC地址干啥？這里的關(guān)鍵就是，沒有MAC地址消息是發(fā)不出去的。

所以如果一個HTTP協(xié)議的包跑在網(wǎng)絡(luò)上，它一定是完整的。無論這個包經(jīng)過哪些設(shè)備，它都是完整的。

所謂的二層設(shè)備、三層設(shè)備，都是這些設(shè)備上跑的程序不同而已。一個HTTP協(xié)議的包經(jīng)過一個二層設(shè)備，二層設(shè)備收進去的是整個網(wǎng)絡(luò)包。這里面HTTP、TCP、 IP、 MAC都有。什么叫二層設(shè)備呀，就是只把MAC頭摘下來，看看到底是丟棄、轉(zhuǎn)發(fā)，還是自己留著。那什么叫三層設(shè)備呢？就是把MAC頭摘下來之后，再把IP頭摘下來，看看到底是丟棄、轉(zhuǎn)發(fā)，還是自己留著。

小結(jié)

總結(jié)一下今天的內(nèi)容，理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作模式，有兩個小竅門：

• 始終想象自己是一個處理網(wǎng)絡(luò)包的程序：如何拿到網(wǎng)絡(luò)包，如何根據(jù)規(guī)則進行處理，如何發(fā)出去；
• 始終牢記一個原則：只要是在網(wǎng)絡(luò)上跑的包，都是完整的。可以有下層沒上層，絕對不可能有上層沒下層。

我是劉超，歡迎你訂閱我的專欄《趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議》。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的网络协议必会知识点：互联网网络分层的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。