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1. 概述

1.1 协议

计算机之间通信是依靠互联网，互联网的核心是一系列协议。
协议，网络协议的简称，网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

1.2 分层体系结构

协议往往分成几个层次进行定义，分层定义是为了层与层之间解耦，互不影响，职责清晰，提高兼容性，方便技术创新。

1.2.1 TCP/IP 网络分层模型（4层）

IP 协议是“Internet Protocol”的缩写，主要目的是解决寻址和路由问题，以及如何在两 点间传送数据包。IP 协议使用“IP 地址”的概念来定位互联网上的每一台计算机。
TCP 协议是“Transmission Control Protocol”的缩写，意思是“传输控制协议”，它位 于 IP 协议之上，基于 IP 协议提供可靠的、字节流形式的通信，是 HTTP 协议得以实现的基础。
TCP/IP 协议总共有四层，就像搭积木一样，每一层需要下层的支撑，同时又支撑着上层，任何一层被抽掉都可能会导致整个协议栈坍塌。

第一层叫“链接层”（link layer），负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标记网络上的设备，所以有时候也叫 MAC层。MAC 层的传输单位是帧（frame）。

第二层叫“网际层”或者“网络互连层”（internet layer），IP 协议就处在这一层。因为IP 协议定义了“IP 地址”的概念，所以就可以在“链接层”的基础上，用 IP 地址取代MAC 地址，把许许多多的局域网、广域网连接成一个虚拟的巨大网络。IP 层的传输单位是包（packet）。

第三层叫“传输层”（transport layer），这个层次协议的职责是保证数据在 IP 地址标记的两点之间“可靠”地传输，是 TCP 协议工作的层次，另外还有它的一个“小伙伴”UDP。TCP 层的传输单位是段（segment）。TCP 是一个有状态的协议，需要先与对方建立连接然后才能发送数据，而且保证数据不丢失不重复。而 UDP 则比较简单，它无状态，不用事先建立连接就可以任意发送数据，但不保证数据一定会发到对方。两个协议的另一个重要区别在于数据的形式。TCP 的数据是连续的“字节流”，有先后顺序，而 UDP 则是分散的小数据包，是顺序发，乱序收。

第四层叫“应用层”（application layer），由于下面的三层把基础打得非常好，所以在这一层就“百花齐放”了，有各种面向具体应用的协议。例如 Telnet、SSH、FTP、SMTP 等等，当然还有我们的 HTTP。HTTP 的传输单位则是消息或报文message）。

1.2.2 OSI网络分层模型（7层）

OSI，全称是“开放式系统互联通信参考模型”（Open System Interconnection Reference Model）。

TCP/IP 发明于 1970 年代，当时除了它还有很多其他的网络协议，整个网络世界比较混乱。这个时候国际标准组织（ISO）注意到了这种现象，于是设计出了一个新的网络分层模型，想用这个新框架来统一既存的各种网络协议。

OSI 模型分成了七层，部分层次与 TCP/IP 很像，从下到上分别是：

第一层：物理层，网络的物理形式，例如电缆、光纤、网卡、集线器等等；
第二层：数据链路层，它基本相当于 TCP/IP 的链接层；
第三层：网络层，相当于 TCP/IP 里的网际层；
第四层：传输层，相当于 TCP/IP 里的传输层；
第五层：会话层，维护网络中的连接状态，即保持会话和同步；
第六层：表示层，把数据转换为合适、可理解的语法和语义；
第七层：应用层，面向具体的应用传输数据。

TCP/IP 等协议已经在许多网络上实际运行，再推翻重来是不可能的。所以，OSI 分层模型在发布的时候就明确地表明是一个“参考”，不是强制标准。

但 OSI 模型也是有优点的。对比一下就可以看出，TCP/IP 是一个纯软件的栈，没有网络应有的最根基的电缆、网卡等物理设备的位置。而 OSI 则补足了这个缺失，在理论层面上描述网络更加完整。

还有一个重要的形式上的优点：OSI 为每一层标记了明确了编号，最底层是一层，最上层是七层，而 TCP/IP 的层次从来只有名字而没有编号。显然，在交流的时候说“七层”要比“应用层”更简单快捷，特别是英文，对比一下“Layer seven”与“application layer”。

1.2.3 两个分层模型的映射关系

第一层：物理层，TCP/IP 里无对应；
第二层：数据链路层，对应 TCP/IP 的链接层；
第三层：网络层，对应 TCP/IP 的网际层；
第四层：传输层，对应 TCP/IP 的传输层；
第五、六、七层：统一对应到 TCP/IP 的应用层。

OSI 的分层模型在四层以上分的太细，而 TCP/IP 实际应用时的会话管理、编码转换、压缩等和具体应用经常联系的很紧密，很难分开。例如，HTTP 协议就同时包含了连接管理和数据格式定义。

所谓的“四层负载均衡”就是指工作在传输层上，基于 TCP/IP 协议的特性，例如 IP 地址、端口号等实现对后端服务器的负载均衡。

所谓的“七层负载均衡”就是指工作在应用层上，看到的是 HTTP 协议，解析 HTTP 报文里的 URI、主机名、资源类型等数据，再用适当的策略转发给后端服务器。

1.2.4 TCP/IP协议栈的工作方式

HTTP 协议的传输过程就是这样通过协议栈逐层向下，每一层都添加本层的专有数据，层层打包，然后通过下层发送出去。

接收数据是则是相反的操作，从下往上穿过协议栈，逐层拆包，每层去掉本层的专有头，上层就会拿到自己的数据。

下层的传输过程对于上层是完全“透明”的，上层也不需要关心下层的具体实现细节，所以就 HTTP 层次来看，它不管下层是不是 TCP/IP 协议，看到的只是一个可靠的传输链路，只要把数据加上自己的头，对方就能原样收到。

1.3 每层运行常见物理设备

2. 物理层

2.1 物理层的意义

电脑要通信，当然是先把电脑连起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。这就叫做"物理层"，它就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。

2.2 集线器工作原理

网络上不可能只有两台机器在通信，这时候如果加入一台机器，就需要每台机器开两个网口，用一共三根网线，彼此相连。

随着越来越多的机器加入，你发现机器上开的网口越来越多，而且网线密密麻麻，混乱不堪，实际上一台电脑根本开不了这么多网口，所以这种连线只在理论上可行。

于是发明了一个中间设备，你们将网线都插到这个设备上，由这个设备做转发，就可以彼此之间通信了，本质上和原来一样，转换了一种形式，不再那么混乱。我们给它取名叫集线器，它仅仅是无脑将电信号转发到所有出口（广播），因此把集线器定性在了物理层。

由于转发到了所有出口，那 BCDE 四台机器怎么知道数据包是不是发给自己的呢？于是出现了数据链路层。

3. 数据链路层

3.1 数据链路层由来

数据链路层由来：单纯的0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思。
数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

3.2 以太网协议

早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做"以太网"（Ethernet）的协议，占据了主导地位。
以太网规定：

• 一组电信号构成一个数据包，叫做"帧"（Frame）。
• 每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。

Head，固定为18字节，包含：

• 发送者／源地址，6个字节
• 接收者／目标地址，6个字节
• 数据类型，6个字节

data，最短46字节，最长1500字节，包含：

• 数据包的具体内容

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

3.3 MAC地址

上面提到，Head包含了发送者和接受者的信息。以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有"网卡"。发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址。

每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。

3.4 广播

有了MAC地址，两台机器就可以进行通信了。以太网采用了一种很"原始"的方式，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方，这就是广播。
A 在发送数据包给 B 时，头部Head包含了发送者和接受者的信息，B 在收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址判断这个数据包是发给自己的就收下。其他的 CDE 收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址判断这个数据包并不是发给自己的就丢弃。

虽然集线器使整个布局干净不少，但原来我只要发给电脑 B 的消息，现在却要发给连接到集线器中的所有电脑，既不安全，又浪费网络资源。如果把这个集线器弄得更智能一些，只发给目标MAC地址的电脑，就好了。

3.5 交换机工作原理

虽然只比集线器多了这一点点区别，但看起来似乎有智能了，你把这东西叫做交换机。也正因为这一点点智能，你把它放在了另一个层级，数据链路层。

交换机内部维护一张 MAC地址表，记录着每一个 MAC 地址的设备，连接在其哪一个端口上。假如你仍然要发给 B 一个数据包，到达交换机时，查找交换机内部的MAC地址表，发现B的MAC地址对应端口1，于是把数据从 1 号端口发给了 B，就结束了。

MAC地址表是如何建立的

1. 最开始的时候，MAC地址表是空的。
2. 现在A给B发送数据，由于这个包从端口 4 进入的交换机，所以此时交换机就可以在 MAC地址表记录第一条数据，MAC：aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa端口：4。
3. 交换机看目标MAC地址（bb-bb-bb-bb-bb-bb）在地址表中并没有映射关系，于是将此包发给了所有端口，也即发给了所有机器，只有机器B收到了确实是发给自己的包，于是做出了响应，响应数据从端口1进入交换机，于是交换机此时在地址表中更新了第二条数据，MAC：bb-bb-bb-bb-bb-bb端口：1。
4. 经过该网络中的机器不断地通信，交换机最终将 MAC 地址表建立完毕。

3.6 交换机的局限

随着机器数量越多，交换机的端口也不够了，但只要将多个交换机连接起来，这个问题就轻而易举搞定。

你完全不需要设计额外的东西，按照上述的接线方式即可完成所有电脑的互联。但是要注意，上面那根红色的线在 MAC 地址表中可不是一条记录，而是要把 EFGH 这四台机器与该端口（端口6）的映射全部记录在表中。最终，两个交换机将分别记录 A ~ H 所有机器的映射记录。

左边的交换机

右边的交换机

这在只有 8 台电脑甚至只有几百台电脑的时候，都还好，所以这种交换机的设计方式，已经足足支撑一阵子了。但很遗憾，电脑的数量很快就发展到几万，几十万，几百万。交换机已经无法记录如此庞大的映射关系了。
问题的根本在于，连出去的那根红色的网线，后面不知道有多少个设备不断地连接进来，从而使得MAC地址表越来越大，不可控。那我可不可以让那根红色的网线，接入一个新的设备，这个设备就跟电脑一样有自己独立的 MAC 地址，而且同时还能帮我把数据包做一次转发，这样，一个端口对应的MAC就会固定成一个，MAC地址表的大小就是可控的。
这个设备就是路由器，它的功能就是，作为一台独立的拥有MAC地址的设备，并且可以把数据包做一次转发，把它定在了网络层。
路由器的每一个端口，都有独立的 MAC 地址。现在交换机的MAC地址表中，只需要多出一条MAC地址 ABAB 与其端口的映射关系，就可以成功把数据包转交给路由器。

4. 网络层

4.1 网络层由来

4.1.1 为什么要划分子网？

有了以太网、MAC地址、广播的发送方式，理论上世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难。

必须将一个巨大的互联网拆分成无数个子网，让广播的范围减小，提高网络效率。必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包）。

4.1.2 为什么要引入IP地址？

MAC地址是无法区分的，它只跟厂商有关，与所处网络无关。如果你希望使用MAC 地址来区分网络，就需要某一子网下统统买一个厂商制造的设备，要么你就需要要求厂商在生产网络设备烧录 MAC 地址时，提前按照你规划好的子网结构来定 MAC 地址，并且日后这个网络的结构都不能轻易改变，这基本是不现实的。

这就导致了"网络层"的诞生。它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫"网络地址"也叫做"IP地址"。MAC 地址一般是无法修改的，IP地址可以修改。