图1-4

DNS协议、Http协议、SSH协议、tcp协议、FTP协议等，这些都是大家比较常用的协议类型。无论哪种协议，本质上仍然是由协议的三要素组成，只是应用场景不同。

DNS、HTTP、HTTPS 所在的层我们称为应用层。经过应用层封装后，浏览器会将应用层的包交给下一层去完成，通过 SOCKET 编程来实现。下一层是传输层。传输层有两种协议，一种是无连接的协议 UDP，一种是面向连接的协议 TCP。对于通信可靠性要求的场景来说，往往使用 TCP 协议。所谓的面向连接就是，TCP 会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达，就会重新发送，直至到达。

一次网络通信到底是怎么完成的呢？

涉及到网络通信，那我们一定会提到一个网络模型的概念，如图1-5所示。表示TCP/IP的四层概念模型和OSI七层网络模型，它是一种概念模型，由国际标准化组织提出来的，试图让全世界范围内的计算机能基于该网络标准实现互联。

图1-5

网络模型为什么要分层呢？其实从我们现在的业务分层架构中就不难发现，任何系统一旦变得复杂，就都会采用分层设计。它的主要好处是

• 实现高内聚低耦合
• 每一层有自己单一的职责
• 提高可复用性和降低维护成本

由于我们的课程并不是专门来讲网络，所以只是提及一下网络分层模型，为了让大家更简单的理解网络分层模型的工作原理，我们仍然以一次网络通信的数据包传输为例进行分析，如图1-6所示。

图1-6

图1-6的工作流程描述如下：

• 假设我们要登录某一个网站，此时基于Http协议会构建一个http协议报文，这个报文中按照http协议的规范组装，其中包括要传输的用户名和密码。这个是属于应用层协议。
• 经过应用层封装后，浏览器会把应用层的包交给TCP/IP四层模型中的下一层，也就是传输层来完成，传输层有两种协议： TCP协议，可靠的通信协议，该协议会确保数据包能达到目的地 UDP协议，不可靠通信协议，可能会存在数据丢失 在http通信中使用了TCP协议，TCP协议会有两个端口，一个是浏览器监听的端口，一个是目标服务器进程的端口。操作系统会根据端口来判断这个数据包应该分发给那个进程。
• 传输层封装完成后，该数据包会技术交给网络层来处理，网络层协议是IP协议，IP协议中会包含源IP地址（也就是客户端及其的IP）和目标服务器的IP地址。
• 操作系统知道了目标IP地址后，就开始根据这个IP来寻找目标机器，而目标服务器一定是部署在不同的地方，这种跨网络节点的访问，需要经过网关（所谓网关就是一个网络到另外一个网络的关口）。 所以数据包首先需要先通过自己当前所在网络的网关出去，然后访问到目标服务器，但是在数据包传输到目标服务器之前，需要再组装MAC头信息。 Mac头包含本地的Mac地址和目标服务器的Mac地址，这个MAC地址怎么获得的呢？ 获取本机MAC地址的方法是，操作系统会发送一个广播消息询问网关地址（192.168.1.1）是谁？收到该广播消息的网关会回应一个MAC地址。这个广播消息是基于ARP协议实现的（这个协议简单来说就是已知目标机器的ip，需要获得目标机器的mac地址。(发送一个广播消息，这个ip是谁的，请来认领。认领ip的机器会发送一个mac地址的响应)）。 为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。 获取远程机器的MAC地址的方法也同样是基于ARP协议实现的。

完成MAC地址组装后，一个完整的数据包就构成了。这个时候会把这个数据包给到网卡，网卡再把这个数据包发出去，由于这个数据包中包含MAC地址，因此它能够到达网关进行传输。网关收到包之后，会根据路由信息，判断下一步应该怎么走。网关往往是一个路由器，到某个 IP 地址应该怎么走，这个叫作路由表。

当数据包发送到网关后，会根据网关的路由信息判断该数据包要传输到那个网段上。数据从客户端发送到目标服务器，可能会经过多个网关，所以数据包根据网关路由进入到下一个网关后，继续根据下一个网关的MAC地址寻找下下一个网关，直到到达目标网络服务器上。

这个时候服务器收到包之后，最后一个网关知道这个网络包就是要去当前局域网的，于是拿着目标IP通过ARP协议大喊一声这是谁？ 目标服务器就会给网关回复一个MAC地址。 然后网络包在最后那个网关修改目标的MAC地址，通过这个MAC地址，网络包找到了目标服务器。

当目标服务器和MAC地址对上后，开始取出MAC头信息，接着把数据包发送给操作系统的网络层。网络层会取出IP头信息，IP头里面会写上一层封装的是TCP协议，于是交给传输层来处理，实现过程如图1-7所示。

在这一层中，对于收到的每个数据包都会有一个回复，表示服务器端已经收到了该数据包。如果过一段时间客户端没有收到该确认包，发送端的 TCP 层会重新发送这个包，还是上面的过程，直到最终收到回复。

这个重试是TCP协议层来实现的，不需要我们应用来主动发起。

图1-7

为什么有了MAC层还要走IP层呢？

之前我们提到，mac地址是唯一的，那理论上，在任何两个设备之间，我应该都可以通过mac地址发送数据，为什么还需要ip地址？

mac地址就好像个人的身份证号，人的身份证号和人户口所在的城市，出生的日期有关，但是和人所在的位置没有关系，人是会移动的，知道一个人的身份证号，并不能找到它这个人，mac地址类似，它是和设备的生产者，批次，日期之类的关联起来，知道一个设备的mac，并不能在网络中将数据发送给它，除非它和发送方的在同一个网络内。

所以要实现机器之间的通信，我们还需要有ip地址的概念，ip地址表达的是当前机器在网络中的位置，类似于城市名 道路号 门牌号的概念。通过ip层的寻址，我们能知道按何种路径在全世界任意两台Internet上的的机器间传输数据。

我们知道，TCP协议是属于可靠性通信协议，它能够确保数据包不被丢失。首先我们先了解一下TCP的三次握手和四次挥手。

两个节点需要进行数据通信，首先得先建立连接。而在建立连接时，TCP采用了三次握手来实现连接建立。如图1-8所示。