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1-为什么要学习网络协议?

这是我学习《趣谈网络协议》的一篇笔记。


协议如同人与人的对话,语言不通,无法沟通。

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public class HelloWorld {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Hello World!");
}
}

上面这段文字表现的是人类和计算机沟通的协议,只有通过这种协议,计算机才知道我们想让它做什么。

网络协议是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种“约定”。

1.协议三要素

这种协议还是更接近人类语言,机器不能直接读懂,需要进行翻译,翻译的工作教给编译器(compile)

编译过程的简单表示:

计算机语言作为程序员控制一台计算机工作的协议,具备了协议的三要素。

语法,就是这一段内容要符合一定的规则格式。例如,括号要成对,结束要使用分号等。

语义,就是这一段内容要代表某种意义。例如数字减去数字是有意义的,数字减去文本一般来说就没有意义。

顺序,就是先干啥,后干啥。例如,可以先加上某个数值,然后再减去某个数值。

只有通过网络协议,才能使一大片机器互相协作、共同完成一件事。

用网易考拉的HTTP一段,来描述协议的三要素:

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HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 27 Mar 2018 16:50:26 GMT
Content-Type: text/html;charset=UTF-8
Content-Language: zh-CN

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<base href="https://pages.kaola.com/" />
<meta charset="utf-8"/> <title> 网易考拉 3 周年主会场 </title>

首先,符合语法,也就是说,只有按照上面那个格式来,浏览器才认。例如,上来是状态,然后是首部,然后是内容

第二,符合语义,就是要按照约定的意思来。例如,状态 200,表述的意思是网页成功返回。如果不成功,就是我们常见的“404”。

第三,符合顺序,你一点浏览器,就是发送出一个 HTTP 请求,然后才有上面那一串 HTTP 返回的东西。

2.常用的网络协议

通过一个电商网站下单过程,看涉及的网络协议:

  1. 在浏览器里面输入网易考拉的URL https://www.kaola.com

    然后通过DNS(地址簿协议)或HTTPDNS(更精准的地址簿协议);

    最终得到互联网的“门牌号”,IP地址106.114.138.24

    知道地址,浏览器开始打包发送请求,普通请求使用HTTP协议,购物等需要加密传输的使用HTTPS协议;

​ DNS、HTTP、HTTPS 所在的层我们称为应用层

  1. 应用层封装后,浏览器会将包传输给传输层

    传输层有两种协议,一种是无连接的协议UDP,一种是面向连接的协议TCP。对于支付来讲,往往使用 TCP 协议。所谓的面向连接就是,TCP 会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达,就会重新发送,直至到达。

    TCP 协议里面会有两个端口,一个是浏览器监听的端口,一个是电商的服务器监听的端口。操作系统往往通过端口来判断,它得到的包应该给哪个进程。

  1. 传输层层封装后,浏览器会将包传输给网络层(也叫IP层)。这层涉及IP协议,IP协议会封装浏览器所在机器的 IP 地址(源IP地址)和电商网站所在服务器的 IP 地址(目标IP地址)。

​ 操作系统既然知道了目标 IP 地址,就开始想如何根据这个门牌号找到目标机器。操作系统往往会判断,这个目标 IP 地址是本地人,还是外地人。如果是本地人,从门牌号就能看出来,但是显然电商网站不在本地,而在遥远的地方。

​ 操作系统知道要离开本地去远方。虽然不知道远方在何处,但是可以这样类比一下:如果去国外要去海关,去外地就要去网关。而操作系统启动的时候,就会被DHCP协议配置 IP地址,以及默认的网关的 IP地址 192.168.1.1

​ 操作系统如何将 IP地址发给网关呢?在本地通信基本靠吼,于是操作系统大吼一声,谁是 192.168.1.1 啊?网关会回答它,我就是,我的本地地址在村东头。这个本地地址就是MAC地址,而大吼的那一声是ARP协议

  1. 于是操作系统将 IP 包交给了下一层,也就是MAC层(也叫数据链路层)。网卡再将包发出去。由于这个包里面是有 MAC地址的,因而它能够到达最近的网关。

    网关收到包之后,会根据自己的知识,判断下一步应该怎么走。网关往往是一个路由器,它有一个路由表,指导到某个 IP 地址应该怎么走。

    路由器有点像玄奘西行路过的一个个国家的一个个城关。每个城关都连着两个国家,每个国家相当于一个局域网,在每个国家内部,都可以使用本地的地址MAC进行通信。

    一旦跨越城关,就需要拿出 IP 头来,里面写着贫僧来自东土大唐(就是源 IP 地址),欲往西天拜佛求经(指的是目标 IP 地址)。路过宝地,借宿一晚,明日启行,请问接下来该怎么走啊?

​ 城关往往是知道这些“知识”的,因为城关和临近的城关也会经常沟通。到哪里应该怎么走,这种沟通的协议称为路由协议,常用的有OSPF(开放式最短路径优先,Open Shortest Path First)和BGP(边界网关协议,Border Gateway Protocol)。

  1. 城关与城关之间是一个国家,当网络包知道了下一步去哪个城关,还是要使用国家内部的MAC地址,通过下一个城关的 MAC地址,找到下一个城关,然后再问下一步的路怎么走,一直到走出最后一个城关。

    最后一个城关知道这个网络包要去的地方。于是,对着这个国家吼一声,谁是目标 IP啊?目标服务器就会回复一个 MAC地址。网络包过关后,通过这个 MAC 地址就能找到目标服务器。

    目标服务器发现 MAC 地址对上了,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 头里会写上一层封装的是 TCP 协议,然后将其交给传输层,即TCP层

    在这一层里,对于收到的每个包,都会有一个回复的包说明收到了。这个回复的包绝非这次下单请求的结果,例如购物是否成功,扣了多少钱等,而仅仅是 TCP 层的一个说明,即收到之后的回复。当然这个回复,会沿着刚才来的方向走回去,报个平安。

    因为一旦出了国门,西行路上千难万险,如果在这个过程中,网络包走丢了,例如进了大沙漠,或者被强盗抢劫杀害怎么办呢?因而到了要报个平安。

  2. 如果过一段时间还是没到,发送端的 TCP层会重新发送这个包,还是上面的过程,直到有一天收到平安到达的回复。这个重试绝非你的浏览器重新将下单这个动作重新请求一次。对于浏览器来讲,就发送了一次下单请求,TCP 层不断自己闷头重试。除非 TCP这一层出了问题,例如连接断了,才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求。

    当网络包平安到达 TCP层之后,TCP头中有目标端口号,通过这个端口号,可以找到电商网站的进程正在监听这个端口号,假设一个 Tomcat,将这个包发给电商网站。

  1. 电商网站的进程得到 HTTP 请求的内容,知道了要买东西,买多少。往往一个电商网站最初接待请求的这个 Tomcat 只是个接待员,负责统筹处理这个请求,而不是所有的事情都自己做。例如,这个接待员要告诉专门管理订单的进程,登记要买某个商品,买多少,要告诉管理库存的进程,库存要减少多少,要告诉支付的进程,应该付多少钱,等等。

    如何告诉相关的进程呢?往往通过 RPC调用,即远程过程调用的方式来实现。远程过程调用就是当告诉管理订单进程的时候,接待员不用关心中间的网络互连问题,会由 RPC框架统一处理。RPC 框架有很多种,有基于 HTTP 协议放在 HTTP 的报文里面的,有直接封装在 TCP 报文里面的。

    当接待员发现相应的部门都处理完毕,就回复一个 HTTPS 的包,告知下单成功。这个 HTTPS 的包,会像来的时候一样,经过千难万险到达你的个人电脑,最终进入浏览器,显示支付成功。

3.小结和补充

  • 网络协议分层图示

  • mac地址是唯一的,为什么可以修改?

    类比身份证,身份证号是唯一的,不能改变的,但是可以造假。mac地址全球唯一,它是固化在网卡里的。网卡毕竟是个硬件,需要软件支持,既操作系统识别。而操作系统识别出来的mac地址是可以更改的,它只不过是一个字符串。我们常说的修改mac指的是修改电脑中记录的既注册表中的记录。

  • 有了mac地址为什么还要有IP地址?

    这两个相当于出生地(身份证号)和现居地址。身份证号是你的唯一标识,不会重复,一落户就有(网卡一出厂就有mac)。现在我要和你通信(写信给你),地址用你的姓名+身份证,信能送到你手上吗?明显不能!身份证号前六位能定位你出生的县。mac地址前几位也可以定位生产厂家。但是你出生后会离开这个县(哪怕在这个县,也不能具体找到你)。所以一般写个人信息就要有出生地和现居地址了。

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  • 本文标题: 1-为什么要学习网络协议?
  • 本文作者: AndyRon
  • 发布时间: 2019年08月29日 - 11:00
  • 最后更新: 2019年08月29日 - 11:18
  • 本文链接: http://andyron.com/2019/NetworkProtocol-01.html
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