网络协议漫谈

一、什么是网络协议？

想象一下，我们有一封信，要送给隔壁市的好基友，要怎么做呢？

• 把信装信封
• 把信投递到邮筒
• 邮递员送信
• 好基友取信

写信得知道对方的地址，并且把地址写在信封上。这样邮递员才知道信送到哪里。

另外，送信并不是由一个邮递员完成的，中间有很多中转的过程，每一个邮递员都只负责某几个小区信件的收递

信也可以分类的，可以是普通信件，也可以是加急件，快件之类的

中国邮政，可以送信，也可以送其它快递

如果我们要给隔壁市的好基友发送一条信息，这中间又经历了什么样的过程呢？网络情况是怎么样的呢？

众所周知，网络协议是分层的，如下所示：

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• 应用层：可以对比中国邮政，中国邮政可以利用全国的邮政网络推出不同的产品，比如可以送信，也可以送快递，可以飞机运贵重物品，针对邮政网络有不同的“应用”产品
• 传输层：可以对比邮政的传输方式，物品有易碎品，也有普通物品，邮政肯定会有不同的方式来确保运输的安全，比如说，运送易碎品之前先把物品包裹得厚厚地
• 网际层：可以对比邮政的运输网络，邮政可能和其它航空公司合作来运输物品，邮政公司本身并不负责运输，它只负责物品的打包，打包好交给航空公司就行了，而航空公司就是邮政的运输网络，它对应着网际层
• 网络接口层：它对应着邮政系统的一些基层套件，比如邮筒之类的

每一层都利用下一层的服务做相应的事情，比如传输层就利用网络层的传输服务，实现特定的信息传送方式。每一层都只对上一层负责。

二：数据链路层

网络接口层，也可以叫数据链路层，它是网络四层协议中的最下面一层，它会与硬件打交道，网络中传输的都是1、0之类的二进制，二进制数据与电气数据的转换，就是由数据链路层完成。数据链路层有自己的数据格式：

那这里就有一个疑问了？数据链路层的数据如何定位呢？送信必须得有地址，数据链路层的数据也有地址，mac地址。每一个主机都必须有mac地址，mac地址在设备出厂的时候就确定了，通常是48个二进制位，通常用12个十六进制数据表示

如上图的物理地址，就是mac地址，前6位是厂商编号，后6位是网卡编号。mac地址，全世界唯一。可能有同学会有疑问了，不是还有IP地址吗，不是通过IP地址来确定网络接收地址的吗？IP地址用在网际层（也叫网络层），MAC地址用在数据链路层。

从前文所述，我们可以知道，mac地址是一个真实的物理地址，而ip地址只是一个虚拟地址。为什么会有两套地址体系，既然MAC地址已经全世界唯一了，能不能不要IP地址，只要mac地址呢？这个问题，当我们聊到IP地址时就能回答了。IP地址是通过层级关系来将计算机分组的（子网的实现）。不同计算机组间传递信息时要通过路由表，它们自己被分成不同的层级。比如，202.108.x.x是百度的网络。通过这个地址，百度可以知道那些成千上万的子网在哪里分布同时怎么找到它们（其他人不需要知道这个，只需要知道以202.108开头的IP地址都会到百度那里）。

在一个局域网中，如果两台主机互相通信，网速会非常快。因为在同一个主机当中，彼此都有对方的mac地址，直接将数据发送给对方就行了。这就好比送信，如果对方和你在同一个小区中，你直接把信送过去就行了，不需要再把信中转到城市的信件中转中心，再绕一大圈送回来，这样效率自然就高了。

三：网络层

邮递员送信的过程是怎么样的呢？

首先根据地址将信分捡，广东省深圳市某某区某某街道某某小区之类的。将信分组之后，效率则会在大提高。网络，也是存在分组的，如何实现网络分组的呢，就是通过大名鼎鼎的IP地址。

一般ip地址是由32个bit组成，它的前一部分代表网络，后一部分代码主机，假定上面的ip地址中前24位是网络地址，223.212.40，那么主机部分就是后面的8位，当前ip地址的主机部分就是80。如果两个ip地址的网络部分是相同的，那么它们肯定处于同一个子网络当中。

网络层传输的数据叫IP数据包，ip数据包也分为标头和数据部分，但整个ip数据包都是存在在数据链路层的数据部分。可以理解为信封套着信封

ip层传输的数据并不能保证安全，比如说货车在送货的时候有可能出现货物损坏，没有办法保证货物一定就完整无缺。另外，ip层也不是一个面向连接的运输，它和电话不一样，电话得打通之后再说话，但ip层传输数据不一样，只管送。当然，运输出错也会有相应方式通知主机。

四：传输层

传输层中有两个大名鼎鼎的协议，TCP和UDP，只要是程序员没人不知道这两个的吧。TCP和UDP利用ip层，实现自己的特殊的传输方式，所以这一层叫传输层。

有了ip地址和mac地址，可以精准地确定一台主机的位置。但我可以使用pc看网页，也能用pc聊qq，某人给我发了一个qq信息，pc怎么知道这是qq信息而不是一个其它信息呢，这里还有一个概念叫端口。在传输层，结合ip和端口，就可以知道信息是发给主机的哪个应用程序的。

TCP，一种面向连接的安全的传输方式，有点类似于打电话，得经过三次握手确认连接，双方才可以发送消息，如果因为网络原因发送出错了，还会重传，断开连接还得经过四次握手才会真地断开连接

UDP，非面向连接，也不安全的传输方式。它并不要求双方建立连接，只管把数据报发送出去，不管对方是否接收。

安全的方式都是有代价的，虽然TCP安全，但得经过三次握手才能建立连接，中间还得通过ack确认已接收的数据，监听超时，如果超时了，还要重传，如果网络阻塞，重传是否会加剧阻塞，所以超时时间的设定也是一个难点，得通过特定算法动态计算超时时间。

UDP不安全，是不是就一定不可取呢，也不是，它有它的好处。谷歌的QUIC，就是在应用层对UDP加以控制，也能实现安全的传输，某些地方也会比TCP更优秀

传输层也有自己的数据格式，不过它是套在ip数据中，还是和之前一样的信封套信封方式

五：应用层

应用层，大家都听过http等协议，http协议就是应用层的协议。

http协议是使用tcp协议实现的，利用tcp协议实现的诸多特性。前文提到的QUIC，也是应用层的协议。应用层是最高的一层，直接面对用户，http协议的数据部分就放在TCP数据包的“数据”部分。最后，整个数据链路层的数据包格式就变成了这样