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2-网络分层的真实含义是什么?

这是我学习《趣谈网络协议》的一篇笔记。


计算机网络是不仅需要背诵,而且特别需要将原理烂熟于胸的学科

1.几个问题

网络分层不恰当的比喻:一家公司也是分“层次”的,分总经理、经理、组长、员工。总经理之间有他们的沟通方式,经理和经理之间也有沟通方式,同理组长和员工。

  1. 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?

  2. 第三层网络层中设计路由协议,说路由就像中转站,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。

    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?

  3. 你一定经常听说二层设备、三层设备。二层设备处理的通常是 MAC层的东西。那我发送一个 HTTP 的包,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,二层设备也不处理呢?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?

  4. 一个综合的问题: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?或者说你打开一个电商网站,都需要经历哪些过程?说得越详细越好。

2.网络为什么要分层?

因为是个复杂的程序都要分层。

理解计算机网络中的概念,一个很好的角度是,想象网络包就是一段 Buffer,或者一块内存,是有格式的。同时,想象自己是一个处理网络包的程序,而且这个程序可以跑在电脑上,可以跑在服务器上,可以跑在交换机上,也可以跑在路由器上。你想象自己有很多的网口,从某个口拿进一个网络包来,用自己的程序处理一下,再从另一个网口发送出去。

当然网络包的格式很复杂,这个程序也很复杂。复杂的程序都要分层,这是程序设计的要求。比如,复杂的电商还会分数据库层、缓存层、Compose层、Controller层和接入层,每一层专注做本层的事情。

3.程序是如何工作的?

当一个网络包从一个网口经过的时候,你看到了,首先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。

  • 获取的过程

拿进来以后,就要交给一段程序来处理。于是,你调用process_layer2(buffer)。当然,这是一个假的函数。但是你明白其中的意思,知道肯定是有这么个函数的。那这个函数是干什么的呢?从 Buffer 中,摘掉二层的头,看一看,应该根据头里面的内容做什么操作。

假设你发现这个包的 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。

如何判断呢?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。根据 IP 头里面的标示,拿掉三层的头,进行下一层的处理,到底是调用 process_tcp(buffer) 呢,还是调用 process_udp(buffer) 呢?

假设这个地址是 TCP 的,则会调用process_tcp(buffer)。这时候,Buffer 里面没有三层的头,就需要查看四层的头,看这是一个发起,还是一个应答,又或者是一个正常的数据包,然后分别由不同的逻辑进行处理。如果是发起或者应答,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。交给谁呢?是不是有 process_http(buffer) 函数呢?

没有的,如果你是一个网络包处理程序,你不需要有 process_http(buffer),而是应该交给应用去处理。交给哪个应用呢?在四层的头里面有端口号,不同的应用监听不同的端口号。如果发现浏览器应用在监听这个端口,那你发给浏览器就行了。至于浏览器怎么处理,和你没有关系。

  • 发送的过程

浏览器自然是解析 HTML,显示出页面来。电脑的主人看到页面很开心,就点了鼠标。点击鼠标的动作被浏览器捕获。浏览器知道,又要发起另一个 HTTP 请求了,于是使用端口号,将请求发给了你。

你应该调用send_tcp(buffer)。不用说,Buffer 里面就是 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,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,你作为一个程序的任务就算告一段落了。

更清晰的图示(来自《图解TCP/IP》):

4.揭秘层与层之间的关系

首先是分层的比喻。所有不能表示出层层封装含义的比喻,都是不恰当的。总经理握手,不需要员工在吧,总经理之间谈什么,不需要员工参与吧,但是网络世界不是这样的。正确的应该是,总经理之间沟通的时候,经理将总经理放在自己兜里,然后组长把经理放自己兜里,员工把组长放自己兜里,像套娃娃一样。那员工直接沟通,不带上总经理,就不恰当了。

现实生活中,往往是员工说一句,组长补充两句,然后经理补充两句,最后总经理再补充两句。但是在网络世界,应该是总经理说话,经理补充两句,组长补充两句,员工再补充两句。

那 TCP 在三次握手的时候,IP 层和 MAC 层在做什么呢?当然是 TCP 发送每一个消息,都会带着 IP 层和 MAC 层了。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。而你只看到 TCP 三次握手了,其实,IP 层和 MAC 层为此也忙活好久了。

这里要记住一点: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,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。

经常有人会问这样一个问题,我都知道那台机器的 IP 地址了,直接发给他消息呗,要 MAC地址干啥?这里的关键就是,没有 MAC地址消息是发不出去的。

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。

5.小结和补充

  • 理解网络协议的工作模式的两个小窍门:
    • 始终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。
  • 网络的构成要素图示例:

网络构成要素-来自《图解TCP/IP》

  • 关于通信协议,更恰当的比喻有,通信协议就像没有天桥的双子楼,要从A座的24层到达B座24层就得先下楼梯再上楼梯,其他协议也是如此,比如4G。
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  • 本文标题: 2-网络分层的真实含义是什么?
  • 本文作者: AndyRon
  • 发布时间: 2019年08月29日 - 11:20
  • 最后更新: 2019年08月31日 - 11:20
  • 本文链接: http://andyron.com/2019/NetworkProtocol-02.html
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