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43 预习 | Socket通信之网络协议基本原理
上一节我们讲的进程间通信，其实是通过内核的数据结构完成的，主要用于在一台Linux上两个进程之间的通信。但是，一旦超出一台机器的范畴，我们就需要一种跨机器的通信机制。
一台机器将自己想要表达的内容，按照某种约定好的格式发送出去，当另外一台机器收到这些信息后，也能够按照约定好的格式解析出来，从而准确、可靠地获得发送方想要表达的内容。这种约定好的格式就是网络协议（Networking Protocol）。
我们将要讲的Socket通信以及相关的系统调用、内核机制，都是基于网络协议的，如果不了解网络协议的机制，解析Socket的过程中，你就会迷失方向，因此这一节，我们有必要做一个预习，先来大致讲一下网络协议的基本原理。
网络为什么要分层？
我们这里先构建一个相对简单的场景，之后几节内容，我们都要基于这个场景进行讲解。
我们假设这里就涉及三台机器。Linux服务器A和Linux服务器B处于不同的网段，通过中间的Linux服务器作为路由器进行转发。
说到网络协议，我们还需要简要介绍一下两种网络协议模型，一种是OSI的标准七层模型，一种是业界标准的TCP/IP模型。它们的对应关系如下图所示：
为什么网络要分层呢？因为网络环境过于复杂，不是一个能够集中控制的体系。全球数以亿记的服务器和设备各有各的体系，但是都可以通过同一套网络协议栈通过切分成多个层次和组合，来满足不同服务器和设备的通信需求。
我们这里简单介绍一下网络协议的几个层次。
我们从哪一个层次开始呢？从第三层，网络层开始，因为这一层有我们熟悉的IP地址。也因此，这一层我们也叫IP层。
我们通常看到的IP地址都是这个样子的：192.168.1.100/24。斜杠前面是IP地址，这个地址被点分隔为四个部分，每个部分8位，总共是32位。斜线后面24的意思是，32位中，前24位是网络号，后8位是主机号。
为什么要这样分呢？我们可以想象，虽然全世界组成一张大的互联网，美国的网站你也能够访问的，但是这个网络不是一整个的。你们小区有一个网络，你们公司也有一个网络，联通、移动、电信运营商也各有各的网络，所以一个大网络是被分成个小的网络。
那如何区分这些网络呢？这就是网络号的概念。一个网络里面会有多个设备，这些设备的网络号一样，主机号不一样。不信你可以观察一下你家里的手机、电视、电脑。
连接到网络上的每一个设备都至少有一个IP地址，用于定位这个设备。无论是近在咫尺的你旁边同学的电脑，还是远在天边的电商网站，都可以通过IP地址进行定位。因此，IP地址类似互联网上的邮寄地址，是有全局定位功能的。
就算你要访问美国的一个地址，也可以从你身边的网络出发，通过不断的打听道儿，经过多个网络，最终到达目的地址，和快递员送包裹的过程差不多。打听道儿的协议也在第三层，称为路由协议（Routing protocol），将网络包从一个网络转发给另一个网络的设备称为路由器。
路由器和路由协议十分复杂，我们这里就不详细讲解了，感兴趣可以去看我写的另一个专栏“趣谈网络协议”里的相关文章。
总而言之，第三层干的事情，就是网络包从一个起始的IP地址，沿着路由协议指的道儿，经过多个网络，通过多次路由器转发，到达目标IP地址。
从第三层，我们往下看，第二层是数据链路层。有时候我们简称为二层或者MAC层。所谓MAC，就是每个网卡都有的唯一的硬件地址（不绝对唯一，相对大概率唯一即可，类比UUID）。这虽然也是一个地址，但是这个地址是没有全局定位功能的。
就像给你送外卖的小哥，不可能根据手机尾号找到你家，但是手机尾号有本地定位功能的，只不过这个定位主要靠“吼”。外卖小哥到了你的楼层就开始大喊：“尾号xxxx的，你外卖到了！”
MAC地址的定位功能局限在一个网络里面，也即同一个网络号下的IP地址之间，可以通过MAC进行定位和通信。从IP地址获取MAC地址要通过ARP协议，是通过在本地发送广播包，也就是“吼”，获得的MAC地址。
由于同一个网络内的机器数量有限，通过MAC地址的好处就是简单。匹配上MAC地址就接收，匹配不上就不接收，没有什么所谓路由协议这样复杂的协议。当然坏处就是，MAC地址的作用范围不能出本地网络，所以一旦跨网络通信，虽然IP地址保持不变，但是MAC地址每经过一个路由器就要换一次。
我们看前面的图。服务器A发送网络包给服务器B，原IP地址始终是192.168.1.100，目标IP地址始终是192.168.2.100，但是在网络1里面，原MAC地址是MAC1，目标MAC地址是路由器的MAC2，路由器转发之后，原MAC地址是路由器的MAC3，目标MAC地址是MAC4。
所以第二层干的事情，就是网络包在本地网络中的服务器之间定位及通信的机制。
我们再往下看，第一层，物理层，这一层就是物理设备。例如连着电脑的网线，我们能连上的WiFi，这一层我们不打算进行分析。
从第三层往上看，第四层是传输层，这里面有两个著名的协议TCP和UDP。尤其是TCP，更是广泛使用，在IP层的代码逻辑中，仅仅负责数据从一个IP地址发送给另一个IP地址，丢包、乱序、重传、拥塞，这些IP层都不管。处理这些问题的代码逻辑写在了传输层的TCP协议里面。
我们常称，TCP是可靠传输协议，也是难为它了。因为从第一层到第三层都不可靠，网络包说丢就丢，是TCP这一层通过各种编号、重传等机制，让本来不可靠的网络对于更上层来讲，变得“看起来”可靠。哪有什么应用层岁月静好，只不过TCP层帮你负重前行。
传输层再往上就是应用层，例如咱们在浏览器里面输入的HTTP，Java服务端写的Servlet，都是这一层的。
二层到四层都是在Linux内核里面处理的，应用层例如浏览器、Nginx、Tomcat都是用户态的。内核里面对于网络包的处理是不区分应用的。
从四层再往上，就需要区分网络包发给哪个应用。在传输层的TCP和UDP协议里面，都有端口的概念，不同的应用监听不同的端口。例如，服务端Nginx监听80、Tomcat监听8080；再如客户端浏览器监听一个随机端口，FTP客户端监听另外一个随机端口。
应用层和内核互通的机制，就是通过Socket系统调用。所以经常有人会问，Socket属于哪一层，其实它哪一层都不属于，它属于操作系统的概念，而非网络协议分层的概念。只不过操作系统选择对于网络协议的实现模式是，二到四层的处理代码在内核里面，七层的处理代码让应用自己去做，两者需要跨内核态和用户态通信，就需要一个系统调用完成这个衔接，这就是Socket。
发送数据包
网络分完层之后，对于数据包的发送，就是层层封装的过程。
就像下面的图中展示的一样，在Linux服务器B上部署的服务端Nginx和Tomcat，都是通过Socket监听80和8080端口。这个时候，内核的数据结构就知道了。如果遇到发送到这两个端口的，就发送给这两个进程。
在Linux服务器A上的客户端，打开一个Firefox连接Ngnix。也是通过Socket，客户端会被分配一个随机端口12345。同理，打开一个Chrome连接Tomcat，同样通过Socket分配随机端口12346。
在客户端浏览器，我们将请求封装为HTTP协议，通过Socket发送到内核。内核的网络协议栈里面，在TCP层创建用于维护连接、序列号、重传、拥塞控制的数据结构，将HTTP包加上TCP头，发送给IP层，IP层加上IP头，发送给MAC层，MAC层加上MAC头，从硬件网卡发出去。
网络包会先到达网络1的交换机。我们常称交换机为二层设备，这是因为，交换机只会处理到第二层，然后它会将网络包的MAC头拿下来，发现目标MAC是在自己右面的网口，于是就从这个网口发出去。
网络包会到达中间的Linux路由器，它左面的网卡会收到网络包，发现MAC地址匹配，就交给IP层，在IP层根据IP头中的信息，在路由表中查找。下一跳在哪里，应该从哪个网口发出去？在这个例子中，最终会从右面的网口发出去。我们常把路由器称为三层设备，因为它只会处理到第三层。
从路由器右面的网口发出去的包会到网络2的交换机，还是会经历一次二层的处理，转发到交换机右面的网口。
最终网络包会被转发到Linux服务器B，它发现MAC地址匹配，就将MAC头取下来，交给上一层。IP层发现IP地址匹配，将IP头取下来，交给上一层。TCP层会根据TCP头中的序列号等信息，发现它是一个正确的网络包，就会将网络包缓存起来，等待应用层的读取。
应用层通过Socket监听某个端口，因而读取的时候，内核会根据TCP头中的端口号，将网络包发给相应的应用。
HTTP层的头和正文，是应用层来解析的。通过解析，应用层知道了客户端的请求，例如购买一个商品，还是请求一个网页。当应用层处理完HTTP的请求，会将结果仍然封装为HTTP的网络包，通过Socket接口，发送给内核。
内核会经过层层封装，从物理网口发送出去，经过网络2的交换机，Linux路由器到达网络1，经过网络1的交换机，到达Linux服务器A。在Linux服务器A上，经过层层解封装，通过socket接口，根据客户端的随机端口号，发送给客户端的应用程序，浏览器。于是浏览器就能够显示出一个绚丽多彩的页面了。
即便在如此简单的一个环境中，网络包的发送过程，竟然如此的复杂。不过这一章后面，我们还是会层层剖析每一层做的事情。
总结时刻
网络协议是一个大话题，如果你想了解网络协议的方方面面，欢迎你订阅我写的另一个专栏“趣谈网络协议”。这个专栏重点解析在这个网络通信过程中，发送端和接收端的操作系统都做了哪些事情，对于中间通路上的复杂的网络通信逻辑没有做深入解析。
如果只是为了掌握这一章的内容，这一节我们讲的网络协议的七个层次，你不必每一层的每一个协议都很清楚，只要记住TCP/UDP->IPv4->ARP这一条链就可以了，因为后面我们的分析都是重点分析这条链。
另外，前面那个简单的拓扑图中，网络包的封装、转发、解封装的过程，建议你多看几遍，了熟于心，因为接下来，我们就能从代码层面，看到这个过程。到时候，对应起来，你就比较容易理解。
了解了Socket的基本原理，下一篇文章，我们就来看一看在Linux操作系统里面Socket系统调用的接口是什么样的。
