第2讲 | 网络分层的真实含义是什么？

计算机网络有一个显著的特点，就是不仅需要背诵，还需要将原理烂熟于胸。

四个问题

我们都知道网络是分层的，每一层有每一层的沟通方式。

第一个问题：TCP在进行三次握手的时候，IP层和MAC层对应有什么操作？

学习第三层协议的时候会提到，IP协议里面包含源IP地址和目标IP地址。还会学到路由协议。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：A知道自己的下一个中转站是B，那么A发出来的包，应该把B的IP地址放在哪里？同理，B知道下一个中转站是C，那从B发出来的包应该把C的IP地址放在哪里？如果放在IP协议的目标地址，那么包到了中转站怎么知道最终目的地址是D呢？

第三个问题：你一定听过二层设备、三层设备。如果发送一个HTTP的包，这是七层的，那是不是不需要经过二次设备呢？或者说，二层设备处理的包有没有HTTP层的内容呢？

第四个问题：从你的电脑，通过SSH登录到公有云主机里面，都需要经历哪些过程？你打开一个电商网站，都需要经历哪些过程？

尽管很多人对每一层都很熟悉，但是只是却串不起来。

网络为什么要分层？

因为，复杂的程序都要分层。

理解计算机网络的概念，一个很好的角度是，想象网络包是一段内存，是有格式的。同时，想象自己是处理网络包的程序，这个程序可以跑在电脑上，服务器上、交换机上、路由器上。想象自己有很多的网口，从某个口拿进来一个网络包，用程序处理一下，再从另一个包发出去。网络包的格式很复杂，程序也很复杂。复杂的程序都要分层，这是程序设计的要求，让每一层专注做本层的事情。

程序是如何工作的？

想象“你”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，你看到了，首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。

拿进来之后，就要交给一段程序处理。于是，你调用process_layer2(buffer)。当然这个函数是假的，但你知道一定存在这样一个处理二层包的函数。这个函数摘掉二层的头，看看根据头里面的内容做什么操作。

假如你发现这个包的MAC地址和自己的一样，那么说明这个包是发给你的，于是你调用process_layer3(buffer)。这个时候，buffer里面已经没有二层的头了，上一个函数已经拿掉了。在这个函数里摘掉三层的头，看看到底是发给自己的，还是希望转发出去的。

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。

拿掉三层的头，进行下一层的处理。根据IP头里面的标识，决定调用process_tcp(buffer)，或者调用process_udp(buffer)。

假设这个地址是TCP的，则调用process_tcp(buffer)。这个时候buffer里面已经去掉了三层的头，需要查看四层的TCP头，看这个是一个发起还是一个应答，还是一个正常的数据包。如果是发起或应答包，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。

如果是一个网络包处理程序，则交给应用去处理。交给哪个应用由端口号区分，不同的应用会监听不同的端口号。如果发现浏览器在监听这个端口，就交给浏览器。至于浏览器怎么处理，和你没有关系。

浏览器解析HTML，显示出页面来。用户看到页面，然后点击鼠标，点击的动作被浏览器捕获。浏览器就知道要发起另一个HTTP请求，于是使用端口号将请求发给你。

于是你调用send_tcp(buffer)。buffer里面是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。

然后后调用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地址和目标IP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。这个函数里面要再加一个MAC的头，记录下源MAC地址和目标MAC地址。目前还不知道目标的MAC地址，需要通过一定的协议处理，找到目标MAC地址。

只要buffer里面的内容完整，就可以从网口发出去了，你作为一个程序的任务就完成了。

揭秘层与层之间的关系

回到一开始的问题：TCP在三次握手的时候，IP层和MAC层在做什么呢？

当然是TCP每发送一个消息，IP层和MAC的所有机制都要运行一遍。只要是在网络上的包，都是完整的。可以有下层没上层，但绝不可能有上层没下层。

对于TCP协议来说，只要想发出去包就要有IP层和MAC层，不然发不出去。

小结

理解网络协议工作模式的两个窍门：

• 想象自己是一个处理网络包的程序：如何拿到网络包，如何根据规则处理，如何发出去；
• 只要是网络上的包都是完整的。可以有下层没上层，绝不可能有上层没下层。

两个思考题：

1. 经常有人把不同的网络分层比喻成公司的不同级别，下层比作员工，上层比作经理，你有更恰当的比喻吗？

2. 学习网络协议，IP这个概念是最基本的，你知道如何查看IP地址吗？

 

PS：本文是极客时间，刘超老师《趣谈网络协议》的讲义摘录。