网络协议趣谈网络分层的含义

Posted 2021-08-29 sysu_lluozh

一、四个问题拷问

为什么网络要分层呀？因为不同的层次之间有不同的沟通方式，这个叫作协议。例如，一家公司也是分层次的，分总经理、经理、组长、员工。总经理之间有他们的沟通方式，经理和经理之间也有沟通方式，同理组长和员工

1.1 协议之间的关系

那么第一个问题来了。请问经理在握手的时候，员工在干什么？很多人听过TCP建立连接的三次握手协议，同理类似问题，TCP在进行三次握手的时候，IP层和MAC层对应都有什么操作呢？

教科书经常是列出每个层次所包含的协议，然后开始逐层地去讲这些协议，但是这些协议之间的关系呢？

1.2 网络包的生命周期

学习第三层协议时会提到，IP协议里面包含目标地址和源地址，第三层里往往还会学习路由协 议。路由就像中转站，从原始地址A到目标地址D，中间经过两个中转站A->B->C->D， 是通过路由转发的

那么第二个问题来了。A知道自己的下一个中转站是B，那从A发出来的包，应该把B的IP地址
放在哪里呢？B知道自己的下一个中转站是C，从B发出来的包应该把C的IP地址放在哪里呢？如果放在IP协议中的目标地址，那包到了中转站，怎么知道最终的目的地址是D呢？

教科书不会通过场景化的例子将网络包的生命周期讲出来，所以会很困惑，不知道这些协议实际的应用场景是什么

1.3 协议包中是否有其他层的内容

再问一个问题。一定经常听说二层设备、三层设备，二层设备处理的通常是MAC层的东西。那发送一个HTTP的包，是在第七层工作的，那是不是不需要经过二层设备？或者即便经过了二层设备也不处理呢？或者换一种问法，二层设备处理的包里，有没有HTTP层的内容呢？

1.4 SSH登录公有云主机的过程

最后问一个综合的问题。从电脑通过SSH登录到公有云主机里面，都需要经历哪些过程？或者说打开一个电商网站，都需要经历哪些过程？说得越详细越好

尽管对每一层都很熟悉，但是知识点却串不起来

二、网络为什么要分层

这里先探讨第一个问题，网络为什么要分层？因为，是个复杂的程序都要分层

理解计算机网络中的概念，一个很好的角度是：

• 想象网络包就是一段Buffer，或者一块内存，是有格式的
• 想象自己是一个处理网络包的程序，而且这个程序可以跑在电脑上，可以跑在服务器上，可以跑在交换机上，也可以跑在路由器上
• 想象自己有很多的网口，从某个口拿进一个网络包来，用自己的程序处理一下，再从另一个网口发送出去

当然网络包的格式很复杂，这个程序也很复杂。复杂的程序都要分层，这是程序设计的要求
比如，复杂的电商还会分数据库层、缓存层、Compose层、Controller层和接入层，每一层专注做本层的事情

三、程序是如何工作的

可以简单地想象这个程序的工作过程

当一个网络包从一个网口经过的时候，可以看到首先先看看要不要请进来处理一把。有的网口配置了混杂模式，凡是经过的全部拿进来

拿进来以后就要交给一段程序来处理，于是调用process_layer2(buffer)。当然，这是一个假的函数。但是需要明白其中的意思，知道肯定是有这么个函数的。那这个函数是干什么的呢？从Buffer中摘掉二层的头看一看，应该根据头里面的内容做什么操作

假设发现这个包的MAC地址和你的相符，那说明就是发给你的，于是需要调用 process_layer3(buffer)。这个时候，Buffer里面往往就没有二层的头了，因为已经在上一个函数的处理过程中拿掉了，或者将开始的偏移量移动了一下。在这个函数里面，摘掉三层的 头看看到底是发送给自己的，还是希望自己转发出去的

如何判断呢？如果IP地址不是自己的，那就应该转发出去，如果IP地址是自己的，那就是发给 自己的。根据IP头里面的标示拿掉三层的头，进行下一层的处理，到底是调用 process_tcp(buffer)呢，还是调用process_udp(buffer)呢？

假设这个地址是TCP的，则会调用process_tcp(buffer)。这时候，Buffer里面没有三层的头，需要查看四层的头，看这是一个发起还是一个应答，又或者是一个正常的数据包，然后分别由不同的逻辑进行处理。如果是发起或者应答，接下来可能要发送一个回复包，如果是一个正常的数据包，就需要交给上层了。交给谁呢？是不是有process_http(buffer)函数呢？

没有的，如果你是一个网络包处理程序，不需要有process_http(buffer)，而是应该交给应用去处理。交给哪个应用呢？在四层的头里面有端口号，不同的应用监听不同的端口号。如果发现浏览器应用在监听这个端口，那发给浏览器就行了。至于浏览器怎么处理，和你没有关系

浏览器自然是解析html显示出页面来。电脑的主人看到页面很开心，就点了鼠标。点击鼠标的动作被浏览器捕获。浏览器知道，又要发起另一个HTTP请求了，于是使用端口号将请求发给了你

应该调用send_tcp(buffer)。不用说，Buffer里面就是HTTP请求的内容。这个函数里面加一个TCP的头记录下源端口号。浏览器会给你目的端口号，一般为80端口

然后调用send_layer3(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容，以及TCP的头。在这个函数里面加一个IP的头，记录下源IP的地址和目标IP的地址

然后调用send_layer2(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容、TCP的头，以及IP的头。这个函数里面要加一下MAC的头，记录下源MAC地址，得到的就是本机器的MAC地址和目标的MAC地址。不过，这个还要看当前知道不知道，知道就直接加上，不知道的话就要通过一定的协议处理过程找到MAC地址。反正要填一个，不能空着

万事俱备，只要Buffer里面的内容完整就可以从网口发出去了，作为一个程序的任务就算告一段落

四、揭秘层与层之间的关系

知道了这个过程之后，再来看一下原来困惑的问题

首先是分层的比喻。所有不能表示出层层封装含义的比喻都是不恰当的。总经理握手不需要员工在吧，总经理之间谈什么不需要员工参与吧，但是网络世界不是这样的。正确的应该是，总经理之间沟通的时候，经理将总经理放在自己兜里，然后组长把经理放自己兜里，员工把组长放自己兜里，像套娃娃一样。那员工直接沟通，不带上总经理，就不恰当了

现实生活中，往往是员工说一句，组长补充两句，然后经理补充两句，最后总经理再补充两 句。但是在网络世界，应该是总经理说话，经理补充两句，组长补充两句，员工再补充两句

那TCP在三次握手的时候，IP层和MAC层在做什么呢？当然是TCP发送每一个消息，都会带着IP层和MAC层。因为，TCP每发送一个消息，IP层和MAC层的所有机制都要运行一遍。 而往往只看到TCP三次握手，其实，IP层和MAC层为此也忙活好久

这里要记住一点：只要是在网络上跑的包都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层

所以，对TCP协议来说，三次握手也好，重试也好，只要想发出去包就要有IP层和MAC层，不然是发不出去的

经常有人会问这样一个问题，都知道那台机器的IP地址，直接发给他消息呗，要MAC地址干啥？这里的关键就是，没有MAC地址消息是发不出去的

所以如果一个HTTP协议的包跑在网络上，它一定是完整的。无论这个包经过哪些设备，它都 是完整的

所谓的二层设备、三层设备，都是这些设备上跑的程序不同而已。一个HTTP协议的包经过一 个二层设备，二层设备收进去的是整个网络包。这里面HTTP、TCP、 IP、 MAC都有。什么
叫二层设备呀，就是只把MAC头摘下来看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。那什么叫三层设备呢？就是把MAC头摘下来之后，再把IP头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着

五、小结

理解网络协议的工作模式，有两个小窍门：

• 始终想象自己是一个处理网络包的程序：如何拿到网络包，如何根据规则进行处理，如何发出去
• 始终牢记一个原则：只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层