长时间从事计算机网络相关的工作，我发现，计算机网络有一个显著的特点，就是这是一个不仅需要背诵，而且特别需要将原理烂熟于胸的学科。很多问题看起来懂了，但是就怕往细里问，一问就发现你懂得没有那么透彻。
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”？
1、这四个问题你真的懂了吗？
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？
那么第一个问题来了。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，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？
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。
那么第二个问题来了。
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。
再问你一个问题。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？
最终，我想问你一个综合的问题。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。实际情况可能是，很多人回答不上来。尽管对每一层都很熟悉，但是知识点却串不起来。
上面的这些问题，有的在这一节就会有一个解释，有的则会贯穿我们整个课程。好在后面一节中我会举一个贯穿的例子，将很多层的细节讲过后，你很容易就能把这些知识点串起来。
2、 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。
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？
我们可以简单地想象“你”这个程序的工作过程。
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。
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。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。
4、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。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、总结
总结一下今天的内容，理解网络协议的工作模式，有两个小窍门：
- 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。
6、思考问题？
1、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？
答案：
(1) 很像发快递的过程(http，应用层)，你向顺丰下单(第一次请求)，顺丰接单(应答)，你向取件小伙联系(回应应答)，你将消息放进盒子里(开始封装请求，会话层)，快递员封装一层盒子贴上快递单带回快递点(传输层)，到快递点检查是否区域快件(网络层)，将快件交给运输车(链路层)，各个快递转运中心(物理层)，转运输车(链路层)，达到区域分发(网络层)，网点派送(传输层)，快递员方面签收(会话层)，拆开检查(表示层)，收到快递(应用层)。
2、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？
答案：
(1) 在 Windows 上是 ipconfig，在 Linux 上是 ifconfig (net-tools)
(2) ip addr (iproute2)
3、为什么要分层？
答案：
其实这是一个架构设计的通用问题，不仅仅是网络协议的问题。一旦涉及到复杂的逻辑，或者软件需求需要经常变动，一般都会通过分层来解决问题。
假如我们将所有的代码都写在一起，但是产品经理突然想调整一下界面，这背后的业务逻辑变不变，那要不要一起修改呢？所以会拆成两层，把 UI 层从业务逻辑中分离出来，调用 API 来进行组合。API 不变，仅仅界面变，是不是就不影响后台的代码了？
为什么要把一些原子的 API 放在基础服务层呢？将数据库、缓存、搜索引擎等，屏蔽到基础服务层以下，基础服务层之上的组合逻辑层、API 层都只能调用基础服务层的 API，不能直接访问数据库。比如我们要将 Oracle 切换成 MySQL。MySQL 有一个库，分库分表成为 4 个库。难道所有的代码都要修改吗？当然只要把基础服务层屏蔽，提供一致的接口就可以了。
网络协议也是这样的。有的想基于 TCP，自己不操心就能够保证到达；有的想自己实现可靠通信，不基于 TCP，而使用 UDP。一旦分了层就好办了，定制化后要依赖于下一层的接口，只要实现自己的逻辑就可以了。如果 TCP 的实现将所有的逻辑耦合在了整个七层，不用 TCP 的可靠传输机制都没有办法。
4、层级之间真实的调用方式是什么样的？
答案：
如果文中是一个逻辑图，这个问题其实已经到实现层面上来了，需要看 TCP/IP 的协议栈代码了。这里首先推荐一本书《深入理解 Linux 网络技术内幕》。
其实下层的协议知道上层协议的，因为在每一层的包头里面，都会有上一层是哪个协议的标识，所以不是一个回调函数，每一层的处理函数都会在操作系统启动的时候，注册到内核的一个数据结构里面，但是到某一层的时候，是通过判断到底是哪一层的哪一个协议，然后去找相应的处理函数去调用。
调用的大致过程我这里再讲一下。由于 TCP 比较复杂，我们以 UDP 为例子，其实发送的包就是一个 sk_buff 结构。这个在Socket那一节讲过。
int udp_send_skb(struct sk_buff *skb, struct flowi4 *fl4)接着，UDP 层会调用 IP 层的函数。
int ip_send_skb(struct net *net, struct sk_buff *skb)然后，IP 层通过路由判断，最终将包发给下一层。
int ip_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)发送的时候，要进行 ARP。如果有 MAC，则调用二层的函数，neigh 其实就是邻居系统，是二层的意思。
int neigh_output(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb)接收的时候，会调用这里的接收函数。
int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)这个函数会根据是 ARP 或者 IP 等，选择调用不同的函数。如果是 IP 协议的话，就调用这里的函数。
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev)这里也有路由判断。如果是本地的，则继续往上提交这个结构。
int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb)接着，还是根据 IP 头里面的协议号，来判断是什么协议，从而调用什么函数。下面这个是对 UDP 的调用。
int udp_rcv(struct sk_buff *skb)5、什么情况下会有下层没上层？
答案：
有时候我们自己写应用的时候，不一定是直接调用应用层协议的接口，例如 HTTP 等，而是自己写 Socket 编程，来约定应用层的协议。再如，ping 也是一个应用，但是它没有用传输层的协议，而是用了 ICMP 的协议。
