二.网络分层的真实含义是什么

我们上一节列了之后要讲的网络协议。这些协议本来没什么稀奇,每一本教科书都会讲,并且都要求你背下来。因为考试会考,面试会问。可以这么说,毕业了去找工作还答不出这类题目的,那你的笔试基本上也就挂了。

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”?


这四个问题你真的懂了吗?

我们经常会听到这些不是很恰当的比喻: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,这个叫做协议。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。

第一个问题来了

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,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?

第二个问题来了

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。

学习第三层的时候会提到,IP 协议里面包含目标地址地址。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。

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 BIP 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 CIP 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?

### 再问一个问题

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?

### 再问一个综合的问题

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。

## 讨论

### 网络为什么要分层?

这里我们先探讨第一个问题,网络为什么要分层?因为,是个复杂的程序都要分层。

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。

### 程序是如何工作的

我们可以简单地想象“你”这个程序的工作过程。

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### 揭秘层与层之间的关系

知道了这个过程之后,我们再来看一下原来困惑的问题。

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。

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。

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。