深入浅出网络协议

计算机网络 协议 笔记

最近在极客时间学习刘超老师的浅谈网络协议，做一些总结，以加深印象

什么是网络协议？

《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。
要想打造互联网世界的通天塔，只教一台及其做什么是不够的，需要通过网络协议，才能使一大片机器互相协作，共同完成一件事。

协议三要素

• 语法：这一段内容要符合一定的规则和形式
• 语义：一段内容要代表某种意义
• 顺序：要明确先干什么，后干什么

网络分层的真实含义是什么？

要想理解这个我们首先我们要理解下面这四个问题：

• 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？
• 数据包到达中转站，如何知道自己的下一跳的地址呢？应该把下一跳的地址放在哪里呢？
• 如果发送一个HTTP的包是在第七层工作的，那需不需要经过中间层设备呢？或者中间层设备处理的包里有没有HTTP层的内容呢？
• 从你自己的电脑里，通过ssh登陆到云主机里面。都需要经历哪些过程？

网络为什么要分层？

网络包的格式很复杂，一个程序也很复杂，如果说一个复杂的程序只有一层，那么必然会造成混乱，因此为了明确职责，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。

程序是如何工作的？

“通信协议就像是两座没有天桥的双子楼，你要想从A座的24层到达B座的24层，就得先下楼，再上楼”

再发送请求的时候，Buffer每经过一层，就会加上该层的头部，再接着传给下一层，在返回请求的时候，则是每经过一层，就要剥离该层的头部，再传给上一层。

揭秘层与层之间的关系

TCP三次握手的时候，IP层和MAC层在做什么呢？

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。我们只注意到TCP的三次握手，其实IP层和MAC层为此也忙活了好久。

数据包到达中转站，如何知道自己下一跳的地址呢？应该把地址放在哪呢？

例如我们在浏览器里面输入https://www.geektime.com,这是一个URL，浏览器只知道名字是www.geektime.com，但是不知道具体的地点，所以不知道应该如何去访问。于是它打开"地址簿"DNS协议去查找对应的ip地址，还可以使用一种更加精准的查找协议HTTPDNS。浏览器知道了目标IP地址后，就会打包它的请求，一般使用HTTP协议。但是对于一些需要加密传输的请求，则会使用HTTPS协议。

DNS，HTTP，HTTPS所在的层，我们称为应用层，应用层封装好后，浏览器会将封装好的包交给下一层即传输层来完成，通过socket编程来实现。传输层有两种协议，一种是面向无连接的UDP协议，另一种是面向连接的TCP协议，这里所谓面向连接就是，TCP会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达，就会重复发送，直到到达为止。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，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。

IP层在数据包加上头部后，会发给数据链路层，操作系统会指示ARP协议来判断目标IP地址是内部网络还是外部网络，并将目标IP地址发给网关，并且在数据包头部加上MAC头，然后将IP层交给下一层——MAC层

网关收到数据包后，会根据自己的知识判断下一步应该怎么走，这个叫做路由表，这种沟通的协议叫做路由选择协议，常用的有OSPF和BGP

当到达最后一个网关的时候，它知道这个数据包要去的地方，通过ARP协议，得到目标机器的MAC地址，目标机器发现MAC地址对上了，就取下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头里面会写上一层封装的是TCP协议，然后将数据包交给传输层即TCP层。在这一层里，对于收到的每个数据包都会有一个回复的包说明收到了，这个包会按原来的路径走回去。如果过了一段时间还是没有收到回复，就会再次发送，直到收到数据包已到达的回复为止，这就是TCP的三次握手。TCP头中会记录目标端口号，可以找到网站的进程正在监听这个端口，网站的进程就能得到请求的内容了