浅谈网络协议(二) 网络分层的含义

做开发的朋友肯定知道，越是复杂的程序，往往越是需要分得越细。即使是刚刚入门的程序员，也知道MVC等分层结构。复杂的程序都要分层。

为什么网络要分层

因为不同的层次之间有不同的沟通方式，沟通使用的协议不同。与程序相似的，网络也是一个非常复杂的系统，如果不进行分层处理，那么不同层次之间的交流会变得非常困难和混乱。

而且分层之后也有显而易见的好处。

每层容易形成统一的标准，即使是不同的网络厂商也可以交流

每层只需要专注自己的事情，减少了这一层的复杂度

整体容易形成统一的规范，有助于计算机网络的发展

很多人听过 TCP 建立连接的三次握手协议，也会把它当知识点背诵。那你知道 TCP 在进行三次握手的时候，IP 层和 MAC 层对应都有什么操作吗？

分层之后也有一些坏处，比如分层之后，由于单层更加专注，导致一些学习者会分层的进行学习，但是经常会忘记层与层之间的关联。

学习第三层网络层的时候会提到，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，我们从原始地址 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，所以你就会很困惑，不知道这些协议实际的应用场景是什么。

你一定听过二层设备、三层设备。二层设备处理的通常是 MAC 层的东西。如果发送一个 HTTP 的包，那么应该是在第七层工作的，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？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？

你能详细的说出来你在网络上的某一个行为，例如购物、通过ftp上传文件、下载一个游戏等经过了哪些过程吗？知道具体通过了哪些协议吗？

尽管对每一层都很熟悉，但是估计很多人会答不上来。因为无法把这些内容串联到一起。

程序是如何工作的？
把自己想象成一个程序，看看“你”这个程序是如何进行工作的。



当一个网络包从一个网口经过时，首先先看看要不要放进来。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，你调用process_layer2(buffer)。procrss_layer2是从 Buffer 中摘掉二层的头的函数，看一看，应该根据头里面的内容做什么操作。以下process_layer3是摘掉第三层的头函数。

如果这个包的 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。

到第四层的时候，就要根据地址是TCP的还是UDP的来调用不同的procrss程序来处理。传输层需要查看四层的头来判断数据包是一个发起，还是一个应答，还是普通的数据传输包，分别交给不同的逻辑处理。发起或者应答的话，就要发送一个回复包，正常的数据包就需要交给上层处理了。

到了第五层应用层，往往没有直接的相应的处理头的procrss，而是直接通过第四层头里的端口号，将数据包交给对应监听端口的进程去处理。

浏览器通过解析 HTML 来显示页面。用户点击鼠标，点击鼠标的动作被浏览器捕获之后发起另一个 HTTP 请求，于是使用端口号，将请求发给了你。

浏览器这里调用send_tcp(buffer)。Buffer 里面就是 HTTP 请求的内容。在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，一个程序的任务就算告一段落了。

那 TCP 在三次握手的时候，IP 层和 MAC 层在做什么呢？

TCP 发送每一个消息，都会带着上 IP 层和 MAC 层了。因此，TCP 每发送一个消息，IP 层和 MAC 层的所有机制都要运行一遍。。

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。

那么上一讲的问题：当网络包到达一个城市城关的时候，可以直接通过路由得到达下一个网关的IP地址，直接通过IP地址找就可以了，为什么还要通过本地的MAC地址呢？这里的关键就是，没有 MAC 地址消息是发不出去的。

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。

小结
如何理解网络协议的工作模式：

理解清楚计算机是如何拿到网络包，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。