文章出自 |《趣談網絡協議》
長時間從事計算機網絡相關的工作，我發現，計算機網絡有一個顯著的特點，就是這是一個不僅需要背誦，而且特別需要將原理爛熟於胸的學科。很多問題看起來懂了，但是就怕往細裏問，一問就發現你懂得沒有那麼透徹。
我們上一節列了之後要講的網絡協議。這些協議本來沒什麼稀奇，每一本教科書都會講，並且都要求你背下來。因爲考試會考，面試會問。可以這麼說，畢業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。
當你聽到什麼二層設備、三層設備、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，對應的各種協議具體要做什麼“工作”？
這四個問題你真的懂了嗎？
因爲教科書或者老師往往會打一個十分不恰當的比喻：爲什麼網絡要分層呀？因爲不同的層次之間有不同的溝通方式，這個叫作協議。例如，一家公司也是分“層次”的，分總經理、經理、組長、員工。總經理之間有他們的溝通方式，經理和經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？
那麼第一個問題來了。請問經理在握手的時候，員工在幹什麼？很多人聽過TCP建立連接的三次握手協議，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層對應都有什麼操作呢？
除了上面這個不恰當的比喻，教科書還會列出每個層次所包含的協議，然後開始逐層地去講這些協議。但是這些協議之間的關係呢？卻很少有教科書會講。
學習第三層的時候會提到，IP協議裏面包含目標地址和源地址。第三層裏往往還會學習路由協議。路由就像中轉站，我們從原始地址A到目標地址D，中間經過兩個中轉站A->B->C->D，是通過路由轉發的。
那麼第二個問題來了。A知道自己的下一個中轉站是B，那從A發出來的包，應該把B的IP地址放在哪裏呢？B知道自己的下一個中轉站是C，從B發出來的包，應該把C的IP地址放在哪裏呢？如果放在IP協議中的目標地址，那包到了中轉站，怎麼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，將網絡包的生命週期講出來，所以你就會很困惑，不知道這些協議實際的應用場景是什麼。
我再問你一個問題。你一定經常聽說二層設備、三層設備。二層設備處理的通常是MAC層的東西。那我發送一個HTTP的包，是在第七層工作的，那是不是不需要經過二層設備？或者即便經過了，二層設備也不處理呢？或者換一種問法，二層設備處理的包裏，有沒有HTTP層的內容呢？
最終，我想問你一個綜合的問題。從你的電腦，通過SSH登錄到公有云主機裏面，都需要經歷哪些過程？或者說你打開一個電商網站，都需要經歷哪些過程？說得越詳細越好。
實際情況可能是，很多人會答不上來。儘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，有的在這一節就會有一個解釋，有的則會貫穿我們整個課程。好在後面一節中我會舉一個貫穿的例子，將很多層的細節講過後，你很容易就能把這些知識點串起來。
網絡爲什麼要分層？
這裏我們先探討第一個問題，網絡爲什麼要分層？因爲，是個複雜的程序都要分層。
理解計算機網絡中的概念，一個很好的角度是，想象網絡包就是一段Buffer，或者一塊內存，是有格式的。同時，想象自己是一個處理網絡包的程序，而且這個程序可以跑在電腦上，可以跑在服務器上，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口，從某個口拿進一個網絡包來，用自己的程序處理一下，再從另一個網口發送出去。
當然網絡包的格式很複雜，這個程序也很複雜。複雜的程序都要分層，這是程序設計的要求。比如，複雜的電商還會分數據庫層、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。
當一個網絡包從一個網口經過的時候，你看到了，首先先看看要不要請進來，處理一把。有的網口配置了混雜模式，凡是經過的，全部拿進來。
拿進來以後，就要交給一段程序來處理。於是，你調用process_layer2(buffer)。當然，這是一個假的函數。但是你明白其中的意思，知道肯定是有這麼個函數的。那這個函數是幹什麼的呢？從Buffer中，摘掉二層的頭，看一看，應該根據頭裏面的內容做什麼操作。
假設你發現這個包的MAC地址和你的相符，那說明就是發給你的，於是需要調用process_layer3(buffer)。這個時候，Buffer裏面往往就沒有二層的頭了，因爲已經在上一個函數的處理過程中拿掉了，或者將開始的偏移量移動了一下。在這個函數裏面，摘掉三層的頭，看看到底是發送給自己的，還是希望自己轉發出去的。
如何判斷呢？如果IP地址不是自己的，那就應該轉發出去；如果IP地址是自己的，那就是發給自己的。根據IP頭裏面的標示，拿掉三層的頭，進行下一層的處理，到底是調用process_tcp(buffer)呢，還是調用process_udp(buffer)呢？
假設這個地址是TCP的，則會調用process_tcp(buffer)。這時候，Buffer裏面沒有三層的頭，就需要查看四層的頭，看這是一個發起，還是一個應答，又或者是一個正常的數據包，然後分別由不同的邏輯進行處理。如果是發起或者應答，接下來可能要發送一個數據包；如果是一個正常的數據包，就需要交給上層了。交給誰呢？是不是有process_http(buffer)函數呢？
沒有的，如果你是一個網絡包處理程序，你不需要有process_http(buffer)，而是應該交給應用去處理。交給哪個應用呢？在四層的頭裏面有端口號，不同的應用監聽不同的端口號。如果發現瀏覽器應用在監聽這個端口，那你發給瀏覽器就行了。至於瀏覽器怎麼處理，和你沒有關係。
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，又要發起另一個HTTP請求了，於是使用端口號，將請求發給了你。
你應該調用send_tcp(buffer)。不用說，Buffer裏面就是HTTP請求的內容。這個函數裏面加一個TCP的頭，記錄下源端口號。瀏覽器會給你目的端口號，一般爲80端口。
然後調用send_layer3(buffer)。Buffer裏面已經有了HTTP的頭和內容，以及TCP的頭。在這個函數裏面加一個IP的頭，記錄下源IP的地址和目標IP的地址。
然後調用send_layer2(buffer)。Buffer裏面已經有了HTTP的頭和內容、TCP的頭，以及IP的頭。這個函數裏面要加一下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，就要通過一定的協議處理過程，找到MAC地址。反正要填一個，不能空着。
萬事俱備，只要Buffer裏面的內容完整，就可以從網口發出去了，你作爲一個程序的任務就算告一段落了。
揭祕層與層之間的關係
知道了這個過程之後，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，都是不恰當的。總經理握手，不需要員工在吧，總經理之間談什麼，不需要員工參與吧，但是網絡世界不是這樣的。正確的應該是，總經理之間溝通的時候，經理將總經理放在自己兜裏，然後組長把經理放自己兜裏，員工把組長放自己兜裏，像套娃娃一樣。那員工直接溝通，不帶上總經理，就不恰當了。
現實生活中，往往是員工說一句，組長補充兩句，然後經理補充兩句，最後總經理再補充兩句。但是在網絡世界，應該是總經理說話，經理補充兩句，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層在做什麼呢？當然是TCP發送每一個消息，都會帶着IP層和MAC層了。因爲，TCP每發送一個消息，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層爲此也忙活好久了。
這裏要記住一點：只要是在網絡上跑的包，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協議來說，三次握手也好，重試也好，只要想發出去包，就要有IP層和MAC層，不然是發不出去的。
經常有人會問這樣一個問題，我都知道那臺機器的IP地址了，直接發給他消息唄，要MAC地址幹啥？這裏的關鍵就是，沒有MAC地址消息是發不出去的。
所以如果一個HTTP協議的包跑在網絡上，它一定是完整的。無論這個包經過哪些設備，它都是完整的。
所謂的二層設備、三層設備，都是這些設備上跑的程序不同而已。一個HTTP協議的包經過一個二層設備，二層設備收進去的是整個網絡包。這裏面HTTP、TCP、 IP、 MAC都有。什麼叫二層設備呀，就是隻把MAC頭摘下來，看看到底是丟棄、轉發，還是自己留着。那什麼叫三層設備呢？就是把MAC頭摘下來之後，再把IP頭摘下來，看看到底是丟棄、轉發，還是自己留着。
小結
總結一下今天的內容，理解網絡協議的工作模式，有兩個小竅門：
- 始終想象自己是一個處理網絡包的程序：如何拿到網絡包，如何根據規則進行處理，如何發出去；
- 始終牢記一個原則：只要是在網絡上跑的包，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《趣談網絡協議》。