《网络协议》笔记-概述

Posted 2022-12-04 iblade

作者：刘超

《圣经》中有一个通天塔的故事，大致是说，上帝为了阻止人类联合起来，就让人类说不同的语言。人类没法儿沟通，达不成“协议”，通天塔的计划就失败了。

但是千年以后，有一种叫“程序猿”的物种，敲着一种这个群体通用的语言，连接着全世界所有的人，打造这互联网世界的通天塔。如今的世界，正是因为互联网，才连接在一起。

但是，要想打造互联网世界的通天塔，只教给一台机器做什么是不够的，你需要学会教给一大片机器做什么。这就需要网络协议。只有通过网络协议，才能使一大片机器互相协作、共同完成一件事。

在经济学领域，有个伦纳德·里德（Leonard E. Read）创作的《铅笔的故事》。这个故事通过一个铅笔的诞生过程，来讲述复杂的经济学理论。这里，我也用一个下单的过程，看看互联网世界的运行过程中，都使用了哪些网络协议。

你先在浏览器里面输入 https://www.kaola.com ，这是一个 URL。浏览器只知道名字是“www.kaola.com”，但是不知道具体的地点，所以不知道应该如何访问。于是，它打开地址簿去查找。可以使用一般的地址簿协议 DNS 去查找，还可以使用另一种更加精准的地址簿查找协议 HTTPDNS。

无论用哪一种方法查找，最终都会得到这个地址：106.114.138.24。这个是 IP 地址，是互联网世界的“门牌号”。知道了目标地址，浏览器就开始打包它的请求。

对于普通的浏览请求，往往会使用 HTTP 协议；但是对于购物的请求，往往需要进行加密传输，因而会使用 HTTPS 协议。无论是什么协议，里面都会写明“你要买什么和买多少”。

DNS、HTTP、HTTPS 所在的层我们称为应用层。经过应用层封装后，浏览器会将应用层的包交给下一层去完成，通过 socket 编程来实现。下一层是传输层。

传输层有两种协议，一种是无连接的协议 UDP，一种是面向连接的协议 TCP。对于支付来讲，往往使用 TCP 协议。所谓的面向连接就是，TCP 会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达，就会重新发送，直至到达。

TCP 协议里面会有两个端口，一个是浏览器监听的端口，一个是电商的服务器监听的端口。操作系统往往通过端口来判断，它得到的包应该给哪个进程。

传输层封装完毕后，浏览器会将包交给操作系统的网络层。网络层的协议是 IP 协议。在 IP 协议里面会有源 IP 地址，即浏览器所在机器的 IP 地址和目标 IP 地址，也即电商网站所在服务器的 IP 地址。

操作系统既然知道了目标 IP 地址，就开始想如何根据这个门牌号找到目标机器。操作系统往往会判断，这个目标 IP 地址是本地人，还是外地人。如果是本地人，从门牌号就能看出来，但是显然电商网站不在本地，而在遥远的地方。

操作系统知道要离开本地去远方。虽然不知道远方在何处，但是可以这样类比一下：如果去国外要去海关，去外地就要去网关。而操作系统启动的时候，就会被 DHCP 协议配置 IP 地址，以及默认的网关的 IP 地址 192.168.1.1。

操作系统如何将 IP 地址发给网关呢？在本地通信基本靠吼，于是操作系统大吼一声，谁是 192.168.1.1 啊？网关会回答它，我就是，我的本地地址在村东头。这个本地地址就是 MAC 地址，而大吼的那一声是 ARP 协议。

于是操作系统将 IP 包交给了下一层，也就是 MAC 层。网卡再将包发出去。由于这个包里面是有 MAC 地址的，因而它能够到达网关。

网关收到包之后，会根据自己的知识，判断下一步应该怎么走。网关往往是一个路由器，到某个 IP 地址应该怎么走，这个叫作路由表。

路由器有点像玄奘西行路过的一个个国家的一个个城关。每个城关都连着两个国家，每个国家相当于一个局域网，在每个国家内部，都可以使用本地的地址 MAC 进行通信。

一旦跨越城关，就需要拿出 IP 头来，里面写着贫僧来自东土大唐（就是源 IP 地址），欲往西天拜佛求经（指的是目标 IP 地址）。路过宝地，借宿一晚，明日启程，请问接下来该怎么走啊？

城关往往是知道这些“知识”的，因为城关和临近的城关也会经常沟通。到哪里应该怎么走，这种沟通的协议称为路由协议，常用的有 OSPF 和 BGP。

城关与城关之间是一个国家，当网络包知道了下一步去哪个城关，还是要使用国家内部的 MAC 地址，通过下一个城关的 MAC 地址，找到下一个城关，然后再问下一步的路怎么走，一直到走出最后一个城关。

最后一个城关知道这个网络包要去的地方。于是，对着这个国家吼一声，谁是目标 IP 啊？目标服务器就会回复一个 MAC 地址。网络包过关后，通过这个 MAC 地址就能找到目标服务器。

目标服务器发现 MAC 地址对上了，取下 MAC 头来，发送给操作系统的网络层。发现 IP 也对上了，就取下 IP 头。IP 头里会写上一层封装的是 TCP 协议，然后将其交给传输层，即 TCP 层。

在这一层里，对于收到的每个包，都会有一个回复的包说明收到了。这个回复的包绝非这次下单请求的结果，例如购物是否成功，扣了多少钱等，而仅仅是 TCP 层的一个说明，即收到之后的回复。当然这个回复，会沿着刚才来的方向走回去，报个平安。

因为一旦出了国门，西行路上千难万险，如果在这个过程中，网络包走丢了，例如进了大沙漠，或者被强盗抢劫杀害怎么办呢？因而到了要报个平安。如果过一段时间还是没到，发送端的 TCP 层会重新发送这个包，还是上面的过程，直到有一天收到平安到达的回复。这个重试绝非你的浏览器重新将下单这个动作重新请求一次。对于浏览器来讲，就发送了一次下单请求，TCP 层不断自己闷头重试。除非 TCP 这一层出了问题，例如连接断了，才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求。

当网络包平安到达 TCP 层之后，TCP 头中有目标端口号，通过这个端口号，可以找到电商网站的进程正在监听这个端口号，假设一个 Tomcat，将这个包发给电商网站。

电商网站的进程得到 HTTP 请求的内容，知道了要买东西，买多少。往往一个电商网站最初接待请求的这个 Tomcat 只是个接待员，负责统筹处理这个请求，而不是所有的事情都自己做。例如，这个接待员要告诉专门管理订单的进程，登记要买某个商品，买多少，要告诉管理库存的进程，库存要减少多少，要告诉支付的进程，应该付多少钱，等等。

如何告诉相关的进程呢？往往通过 RPC 调用，即远程过程调用的方式来实现。远程过程调用就是当告诉管理订单进程的时候，接待员不用关心中间的网络互连问题，会由 RPC 框架统一处理。RPC 框架有很多种，有基于 HTTP 协议放在 HTTP 的报文里面的，有直接封装在 TCP报文里面的。

当接待员发现相应的部门都处理完毕，就回复一个 HTTPS 的包，告知下单成功。这个 HTTPS 的包，会像来的时候一样，经过千难万险到达你的个人电脑，最终进入浏览器，显示支付成功。

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精彩评论区：

1. mac地址是唯一的，为什么可以修改?想想身份证，身份证号是唯一的，不能改变的，但是可以造假。mac地址全球唯一，它是固化在网卡里的。网卡毕竟是个硬件，需要软件支持，既操作系统识别。重点来了，操作系统识别出来的mac地址是可以更改的，它只不过是一个字符串。我们常说的修改mac指的是修改电脑中记录的既注册表中的记录。
2. 有了mac地址为什么还要有ip地址。举个例子，身份证号是你的唯一标识，不会重复，一落户就有（网卡一出厂就有mac）。现在我要和你通信（写信给你），地址用你的姓名+身份证，信能送到你手上吗?明显不能！身份证号前六位能定位你出生的县。mac地址前几位也可以定位生产厂家。但是你出生后会离开这个县（哪怕在这个县，也不能具体找到你）。所以一般写个人信息就要有出生地和现居地址了。

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1. 局域网内IP地址是动态分配的，假如我是192.168.2.100，如果我下线了，可能IP就分配给了另一台电脑。IP和设备并不总是对应的，这对通信就产生了问题，但是MAC地址不同，MAC地址和设备是一一对应且全球唯一的。所以局域网使用MAC地址通信没有问题。
2. 历史遗留问题：早期的以太网只有交换机，没有路由器，以太网内通过MAC地址通信。后来才有了互联网，为了兼容原本的模式，采用了IP+MAC地址通信的方式。为啥不推到了重来呢？看看IPv6的处境你就知道了。所以是先有MAC地址后有的IP，IP的提出主要还是因为MAC地址本身的缺陷，这个问题换成有了MAC为何还要IP地址也很有意思。
3. 我这里简单说一下，
   第一：MAC地址本身的缺陷。因为MAC地址是硬件提供商写在网卡中的，MAC地址虽然唯一但是不能表明用户在整个互联网中的位置，除非维护一个超级大MAC地址对应表，那寻址效率肯定爆炸。但是IP地址解决了这个问题，因为IP地址是网络提供商给你的，所以你在哪里整个网络都是知道的。
   第二：安全问题：获取MAC地址是通过ARP协议来完成的，如果只用MAC地址通信，那么广播风暴是个难题。
4. 那么我觉得如果哪天每人一个固定的IPv6地址，那么我觉得MAC地址+IPv4的模式是不是可以被替换了？

协议三要素：语法、语义、顺序

网络数据包结构：Mac头 Ip头 Tcp头 Http头 数据体

网络五层模型

1. 物理层：连接
2. 链路层：定位
3. 传输层：路由
4. 会话层：会话连接机制
5. 应用层：数据封装格式