文档章节

02-《趣谈网络协议》之网络分层的真实含义

aibinxiao
 aibinxiao
发布于 07/21 12:09
字数 2853
阅读 34
收藏 1

一、提出问题

1.提出问题

      当你听到什么二层设备、三层设备、四层 LB 和七层 LB 中层的时候,是否有点一头雾水,不知道这些所谓的层,对应的各种协议具体要做什么“工作”?

2.这四个问题你弄懂了么?

      因为教科书或者老师往往会打一个十分不恰当的比喻:为什么网络要分层呀?因为不同的层次之间有不同的沟通方式,这个叫作协议。例如,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。有没有听过类似的比喻?

      除了上面这个不恰当的比喻,教科书还会列出每个层次所包含的协议,然后开始逐层地去讲这些协议。但是这些协议之间的关系呢?却很少有教科书会讲。

      四个问题:

  • 问题一:请问经理在握手的时候,员工在干什么?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。同理问你,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?
  • 学习第三层的时候会提到,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。
  • 问题二: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。
  • 问题三: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?
  • 问题四:综合性问题。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。实际情况可能是,很多人会答不上来。尽管对每一层都很熟悉,但是知识点却串不起来。

      上述问题,我会在后面笔记中逐个回答!

二、网络为什么要分层?

      1.分层的原因

      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。

      2.程序是如何工作的?

      如图,我们根据这个图,来逐步讲解程序的每一步是如何执行的!

      

      (1)首先,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。

      (2)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。

      (3)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。

      (4)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?

      (5)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?

      (6)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。

      (7)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。

      (8)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。

      (9)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。

      (10)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。

      3.揭秘层与层之间的关系

      (1)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。

      (2)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。

      (3)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。

      (4)注意: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。

      (5)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。

      (6)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。

      (7)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。

      (8)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。

三、小结

1.理解网络协议的工作模式小窍门 

  • 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。

2.思考题

  • 如果你也觉得总经理和员工的比喻不恰当,你有更恰当的比喻吗?
  • 要想学习网络协议,IP 这个概念是最最基本的,那你知道如何查看 IP 地址吗?

 

      本文是通过学习极客时间《趣谈网络协议》专栏,个人整理的笔记,为原创文章,如果对你有一点点的帮助,别忘了点赞哦!比心!如需转载,请注明出处,谢谢!

 

© 著作权归作者所有

共有 人打赏支持
aibinxiao
粉丝 32
博文 137
码字总数 224841
作品 0
中山
程序员
00-《趣谈网络协议》之开篇词学习笔记

出于个人兴趣,本人在极客时间购买了网易研究院云计算技术部的首席架构师刘超老师关于计算机网络的专栏之《趣谈网络协议》,由于知识版权原因,不能直接分享刘超老师的原文,所以,我会在每次...

aibinxiao
07/18
0
2
vpn原理及实现--一般理论

openvpn基于openssl来实现安全,但是却不是传统意义上的sslvpn,它只是一个普通的vpn,工作在ip层而不是传输层。vpn的含义着重点有两层意思,一个是v,也就是虚拟,另一个是p,也就是专用。虚...

晨曦之光
2012/04/10
167
0
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...

hirainn
08/04
0
0
网络协议栈的一些问题--附带设计问题

1.网络地址转换是对ip架构的一种讽刺还是一种补充,要知道nat的实质,就是臭名昭著的中间人攻击。 2.上层修改下层地址,路由器修改以太头,tcp和udp也能通过不变端口的nat,而应用层的路由器...

晨曦之光
2012/04/10
21
0
《深入理解LINUX网络内幕》读书笔记1

一个在线看Linux源码的网站http://lxr.free-electrons.com,需要翻墙 第二章 关键数据结构 本章讲述以下两个重要数据结构: struct sk_buff:存储所有网络分层的包头、有效载荷,其他内部信息...

andy_han
2014/07/08
0
0

没有更多内容

加载失败,请刷新页面

加载更多

下一页

centos7安装redis及开机启动

配置编译环境: sudo yum install gcc-c++ 下载源码: wget http://download.redis.io/releases/redis-3.2.8.tar.gz 解压源码: tar -zxvf redis-3.2.8.tar.gz 进入到解压目录: cd redis-3......

hotsmile
36分钟前
0
0
Confluence 6 数据库和临时目录

数据库 所有的其他数据库,包括有页面,内容都存储在数据库中。如果你安装的 Confluence 是用于评估或者你选择使用的是 Embedded H2 Database 数据库。数据库有关的文件将会存储在 database...

honeymose
51分钟前
1
0
day62-20180820-流利阅读笔记

1.今日导读 2.带着问题听讲解 3.新闻正文(中英文对照) 4.重点词汇 5.拓展内容

aibinxiao
今天
0
0
分布式锁实现及对比

一、问题介绍 日常工作中很多场景下需要用到分布式锁,例如:任务运行(多个节点同一时刻同一个任务只能在一个节点上运行(分片任务除外)),交易接受(前端交易请求发送时,可能由于两次提...

yangjianzhou
今天
6
0
【AI实战】快速掌握TensorFlow(二):计算图、会话

在前面的文章中,我们已经完成了AI基础环境的搭建(见文章:Ubuntu + Anaconda + TensorFlow + GPU + PyCharm搭建AI基础环境),以及初步了解了TensorFlow的特点和基本操作(见文章:快速掌握...

雪饼
今天
2
0

没有更多内容

加载失败,请刷新页面

加载更多

下一页

返回顶部
顶部