01 | 为什么要学习网络协议？

一、 协议的三要素

　　计算机语言作为程序员控制一台计算机工作的协议，具备了协议的三要素

• 　　语法：一段内容要符合一定的规则和格式。（比如括号要成对，结束时需要分号）
• 　　语义：一段内容要代表某种意义。（数字相减是有意义的，数字减去文本是没有意义的）
• 　　顺序：先干什么，后干什么。（比如加上某个数值之后，才能减去某个数值）

 

　　但是要打造互联网世界的通天塔，只交给一台计算机要做什么是不够的，我们需要交给一大片机器需要做什么。这就需要网络协议。只有通过网络协议，才能使一大片机器相互协作、共同完成一件事情。

　　我们常用的网络协议有哪些？

　　举个双十一的例子：我们现在浏览器上输入一个URL（比如https://www.kaola.com），浏览器只知道这是https://www.kaola.com，但是不知道具体的地点，所以也不知道去哪里访问。但是它有一个自己的“小本本”，这个小本本就是DNS，还有一个更加精确的“小本本”，HTTPDNS；这两个小本本也属于协议的一种，地址簿查找协议。

　　无论使用哪个“小本本”，最终都会得到一个地址：106.114.138.24。这个是IP地址，是互联网世界的“门牌号”。

　　知道了目的地址，浏览器就开始要打包他的请求。对于普通的浏览来说（就只是去“家里”看看），那就只需要HTTP协议；但是，如果有购物的需求，就需要加密传输（毕竟买什么东西也是隐私），因而会使用HTTPS协议。无论是什么协议，里面都要注明你要买什么和要你要买多少。

POST，URL，HTTP1.1，

正文格式：Json  正文长度：1234

我要买什么，买多少

　　DNS、HTTP、HTTPS所在的层，我们称之为应用层。经过应用层封装后，浏览器会将应用层的包交给下一层——传输层去完成，这要通过socket编程来实现。

　　传输层有两种协议，一种是TCP协议，一种是UDP协议；前者是面向连接，后者是无连接。对于支付来讲，往往采用TCP协议。所谓面向连接，TCP会保证这个包能达到目的地。如果不能到达，就会重新发送，直至到达。

　　TCP协议里面有两个端口，一个是浏览器监听的端口，一个是电商的服务器监听的端口。操作系统会通过端口来判断，它得到的包应该给哪个进程。（每个进程有它占用的端口）

浏览器端口：123445

电商应用端口：433

POST，URL，HTTP1.1，

正文格式：Json  正文长度：1234

我要买什么，买多少

 

　　传输层封装完毕以后，浏览器会将包交给操作系统的网络层。网络层的协议是IP协议。在IP协议里面会有源IP地址，即浏览器所在机器的IP地址和目标IP地址，也即电商网站所在的服务器IP地址。

客户端电脑IP：192.168.1.101

电商服务器IP：106.114.138.24

浏览器端口：123445

电商应用端口：433

POST，URL，HTTP1.1，

正文格式：Json  正文长度：1234

我要买什么，买多少

　　操作系统既然知道了目标IP地址，就开始向知道如何根据这个门牌号找到目标机器。操作系统往往会判断，这个目标地址是本地人还是外地人。如果是本地人，从门牌号就可以看出。但是显然，电商网站不是本地人，而是在遥远的地方。

　　操作系统知道要离开本地去远方。虽然不知道远方在何处，但是可以这么类比一下：如果去国外要经过海关，那么势必此处也要经过网关。而操作系统启动的时候，就会被DHCP协议配置了一个IP地址，以及默认网关的IP地址192.168.1.1.

　　操作系统要如何将IP发送给网关呢？虽然他知道网关的门牌号是192.168.1.1，但是他不知道他处于本地的哪里。但是好在本村的通信吼一声就可以达到；于是操作系统在此时大吼一声，谁是192.168.1.1啊？？？网关此处正蹲在门口吃饭，一听有人叫他，回答，我！我的本地地址在村东头！这个本地地址就是MAC地址，而大吼的那一声是ARP协议。

客户端电脑的MAC地址：192.168.1.101的MAC

网关的MAC：192.168.1.1的MAC

客户端电脑IP：192.168.1.101

电商服务器IP：106.114.138.24

浏览器端口：123445

电商应用端口：433

POST，URL，HTTP1.1，

正文格式：Json  正文长度：1234

我要买什么，买多少

　　于是操作系统将IP包丢给了下一层，也就是MAC层。网关再将包发出去。由于这个包里面是有MAC地址的，因此它能够到达网关。

　　网关收到包之后，会根据自己的知识，判断下一步该如何走。网关往往是一个路由器，到某个IP应该怎么走，这个叫做路由表。

　　路由器就是玄奘取经途中的一个个国家的城关。每个城关都连接着两个国家，每个国家都相当于一个局域网，在国家的内部，都是使用本地的mac地址（48位以太网地址）进行通信。（但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。ARP协议用于将网络中的IP地址解析为目的硬件地址（MAC地址），以保证通信的顺利进行。）

　　类似唐玄奘一旦跨国城关，就需要通关文牒一样，这个包也需要IP头来证明自己来自东土大唐（源IP），前往西天拜佛求经（目的IP）。路过宝地，借宿一晚，明日启程，请问接下来该怎么走。。。。

　　路由器就会给出如以下路由表所示路线：

去IP段1，走网口1，下一跳为路由器A

去IP段2，走网口2，下一跳为路由器B

去IP段3，走网口3，下一跳为路由器C

 

　　为什么城关会知道呢？因为城关和邻近的城关也会经常沟通。到哪里该怎么走，这种沟通叫做路由协议，常用的有OSPF和BGP。

　　城关与城关之间是一个国家，当高速网络包知道了下一步要去哪个城关之后，城关已经摇身一变成为这个国家的“村民”了。（一般路由器都有两个地址，代表处在两个局域网中），帮助网络包大吼一声（使用国家内部的MAC地址找到下一个城关），然后网络包再问接下来该怎么走，一直走出最后一个城关。最后一个城关知道这个网络包要去的地方。于是对着这个国家大吼一声，谁是目标IP啊？？目标IP就会回复一个MAC地址。网络包过关之后，通过这个MAC地址找到目标服务器。

　　目标服务器一看，哎哟，贵客啊！（主要是确定MAC地址对上头了），于是取下MAC头，发送给操作系统的网络层。网络层一看说，确实是贵客！（主要是IP地址也对上了），于是取下IP头。IP头里面会写上一层封装的是TCP协议，发觉此事马虎不得，赶紧交给传输层，即TCP层。

　　在这一层里，对于收到的每一个包，都i会有一个回复的包说收到了（发送一个Ack）。（传输层是老大，IP层和MAC层只是跑腿的，“IP协议说明怎么去” “TCP协议说明干什么”)这个回复的包绝非这次下单的结果，而只是对收到信息的一个回复。当然，这个回复，会按照来时的路走，报个平安。因为毕竟取经路上凶险至极，一旦网络包走丢了怎么办？一定要报个平安。

　　当然，如果一段很长的时间还是没到，发送端的TCP层就会重新发送这个包，还是上面的过程，知道收到平安到达的消息。（注意不是用户的浏览器端的操作，对于用户来说，就是只要发出一次下单的请求，TCP就会保证完成任务之后进行闷头不断重试直到成功发送。当然了，如果TCP这一层出现了问题，比如是连接断了，才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求）

　　当网络到达TCP层之后，根据TCP头部的端口号，找到刚好在监听这个端口的电商网站的进程，假设一个Tomcat，将这个包发送给电商网站。

　　电商网站的进程得到了HTTP的请求之后，知道了要买什么，买多少。往往一个电商网站最初接待请求的是汤姆猫，这只猫只是一个接待员，负责统筹处理这个请求，而不是把所有的事情都自己做。例如这个接待员告诉专门管理订单的进程，等级要买某个商品，买多少，告诉管理库存的进程，库存要减多少，要告诉支付的进程，应该付多少钱，等等。

　　最后，如何告诉相关进程的呢？往往通过RPC调用。即远程过程调用的方法来实现。远程调用就是告诉管理订单进程的时候，接待员不用关心中间网络互连的问题，会由RPC框架统一处理。RPC框架有很多种，有基于HTTP协议在HTTP报文里面的，有直接封装在TCP报文里面的。

　　当接待员发现相应的部门处理完毕，就会回复一个HTTPS的包，告知下单成功。这个HTTPS的包，就沿着来时的路进入下单的浏览器，显示支付成功。