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# 协议专栏特别福利 | 答疑解惑第一期
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你好，我是刘超。
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首先，感谢大家关注并在留言区写下近3000条留言。留言太多，没有及时回复，一是每周写三篇文章压力真的挺大的。为了保质保量地产出，晚上和周末的时间基本上都搭进去了。二是很多人的留言非常有深度，水平很高，提的问题一两句话解释不清楚。
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每一节结尾我基本都会留两个思考题，其中第一个问题是启发思考的，是对本节内容的延伸学习；第二个问题是为了引出下一节，下一节的内容其实就是答案。
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所以我会回答一下每一节的第一个问题，并列出第一个同我的思路最相近的同学，并对留言中比较有代表性的问题，做一个统一的回答，顺便也实现之前要送知识图谱和奖励礼券的承诺。
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当然，这并不能说明我的回答就是一定是正确的或者全面的，有很多同学的留言有非常大的信息量，甚至更广的思路，也对这些同学表示感谢。还有些同学指出了我的错误，也感谢你们。
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### [《第1讲 | 为什么要学习网络协议？》](https://time.geekbang.org/column/article/7581)
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### 课后思考题
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当网络包到达一个城关的时候，可以通过路由表得到下一个城关的 IP 地址，直接通过 IP地址找就可以了，为什么还要通过本地的MAC地址呢？
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徐良红同学说的比较接近。在网络包里，有源IP地址和目标IP地址、源MAC地址和目标MAC地址。从路由表中取得下一跳的IP地址后，应该把这个地址放在哪里呢？如果放在目标IP地址里面，到了城关，谁知道最终的目标在哪里呢？所以要用MAC地址。
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所谓的下一跳，看起来是IP地址，其实是要通过ARP得到MAC地址，将下一跳的MAC地址放在目标MAC地址里面。
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### 留言问题
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1.MAC地址可以修改吗？
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我查了一下，MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址，也叫硬件地址，长度是48比特（6字节），由16进制的数字组成，分为前24位和后24位。
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前24位叫作**组织唯一标志符**（Organizationally Unique Identifier，OUI），是由IEEE的注册管理机构给不同厂家分配的代码，用于区分不同的厂家。后24位是厂家自己分配的，称为**扩展标识符**。同一个厂家生产的网卡中MAC地址后24位是不同的。
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也就是说，MAC本来设计为唯一性的，但是后来设备越来越多，而且还有虚拟化的设备和网卡，有很多工具可以修改，就很难保证不冲突了。但是至少应该保持一个局域网内是唯一的。
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MAC的设计，使得即便不能保证绝对唯一，但是能保证一个局域网内出现冲突的概率很小。这样，一台机器启动的时候，就能够在没有IP地址的情况下，先用MAC地址进行通信，获得IP地址。
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好在MAC地址是工作在一个局域网中的，因而即便出现了冲突，网络工程师也能够在自己的范围内很快定位并解决这个问题。这就像我们生成UUID或者哈希值，大部分情况下是不会冲突的，但是如果碰巧出现冲突了，采取一定的机制解决冲突就好。
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2.TCP重试有没有可能导致重复下单？
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答案是不会的。这个在[TCP](https://time.geekbang.org/column/article/8975)那一节有详细的讲解。因为TCP层收到了重复包之后，TCP层自己会进行去重，发给应用层、HTTP层。还是一个唯一的下单请求，所以不会重复下单。
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那什么时候会导致重复下单呢？因为网络原因或者服务端错误，导致TCP连接断了，这样会重新发送应用层的请求，也即HTTP的请求会重新发送一遍。
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如果服务端设计的是无状态的，它记不住上一次已经发送了一次请求。如果处理不好，就会导致重复下单，这就需要服务端除了实现无状态，还需要根据传过来的订单号实现幂等，同一个订单只处理一次。
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还会有的现象是请求被黑客拦截，发送多次，这在HTTPS层可以有很多种机制，例如通过 Timestamp和Nonce随机数联合起来，然后做一个不可逆的签名来保证。
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3.TCP报平安的包是原路返回吗？
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谢谢语鬼同学的指正。这里的比喻不够严谨，容易让读者产生误会，这里的原路返回的意思是原样返回，也就是返回也是这个过程，不一定是完全一样的路径。
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4.IP地址和MAC地址的关系？
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芒果同学的理解非常准确，讲[IP和MAC的关系](https://time.geekbang.org/column/article/7772)的时候说了这个问题。IP是有远程定位功能的，MAC是没有远程定位功能的，只能通过本地ARP的方式找到。
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我个人认为，即便有了IPv6，也不会改变当前的网络分层模式，还是IP层解决远程定位问题，只不过改成IPv6了，到了本地，还是通过MAC。
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5.如果最后一跳的时候，IP改变了怎么办？
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对于IP层来讲，当包到达最后一跳的时候，原来的IP不存在了。比如网线拔掉了，或者服务器直接宕机了，则ARP就找不到了，所以这个包就会发送失败了。对于IP层的工作就结束了。
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但是IP层之上还有TCP层，TCP会重试的，包还是会重新发送，但是如果服务器没有启动起来，超过一定的次数，最终放弃。
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如果服务器重启了，IP还是原来的IP地址，这个时候TCP重新发送的一个包的时候，ARP是能够得到这个地址的，因而会发到这台机器上来，但是机器上面没有启动服务端监听那个端口，于是会发送ICMP端口不可达。
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如果服务器重启了，服务端也重新启动了，也在监听那个端口了，这个时候TCP的服务端由于是新的，Sequence Number根本对不上，说明不是原来的连接，会发送RST。
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那有没有可能有特殊的场景Sequence Number也能对的上呢？按照Sequence Number的生成算法，是不可能的。
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但是有一个非常特殊的方式，就是虚拟机的热迁移，从一台物理机迁移到另外一台物理机，IP不变，MAC不变，内存也拷贝过去，Sequence Number在内存里面也保持住了，在迁移的过程中会丢失一两个包，但是从TCP来看，最终还是能够连接成功的。
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6.TCP层报平安，怎么确认浏览器收到呢？
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TCP报平安，只能保证TCP层能够收到，不保证浏览器能够收到。但是可以想象，如果浏览器是你写的一个程序，你也是通过socket编程写的，你是通过socket，建立一个TCP的连接，然后从这个连接里面读取数据，读取的数据就是TCP层确认收到的。
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这个读取的动作是本地系统调用，大部分情况下不会失败的。如果读取失败呢，当然本地会报错，你的socket读取函数会返回错误，如果你是浏览器程序的实现者，你有两种选择，一个是将错误报告给用户，另一个是重新发送一次请求，获取结果显示给用户。
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7.ARP协议属于哪一层？
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ARP属于哪个层，一直是有争议的。比如《TCP/IP详解》把它放在了二层和三层之间，但是既然是协议，只要大家都遵守相同的格式、流程就可以了，在实际应用的时候，不会有歧义的，唯一有歧义的是参加各种考试，让你做选择题，ARP属于哪一层？平时工作中咱不用纠结这个。
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## [《第2讲 | 网络分层的真实含义是什么？》](https://time.geekbang.org/column/article/7724)
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### 课后思考题
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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？
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我觉得，寄快递和寄信这两个比喻都挺好的。关键是有了封装和解封装的过程。有的同学举了爬楼，或者公司各层之间的沟通，都无法体现封装和解封装的过程。
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### 留言问题
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1.为什么要分层？
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是的，仅仅用复杂性来解释分层，太过牵强了。
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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。
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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？
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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。
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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。
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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。
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2.层级之间真实的调用方式是什么样的？
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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》。
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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。
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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](https://time.geekbang.org/column/article/9293)那一节讲过。
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int udp_send_skb(struct sk_buff *skb, struct flowi4 *fl4)
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接着，UDP层会调用IP层的函数。
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int ip_send_skb(struct net *net, struct sk_buff *skb)
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然后，IP层通过路由判断，最终将包发给下一层。
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int ip_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
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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。
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int neigh_output(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb)
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接收的时候，会调用这里的接收函数。
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int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
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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。
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int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev)
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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。
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int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb)
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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。
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int udp_rcv(struct sk_buff *skb)
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3.什么情况下会有下层没上层？
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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。
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最后，感谢留言次数前15名的同学，谢谢你们持之以恒的学习，相信你们一定有自己的收获。（统计数据截止到2018年8月8日）
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同时感谢第1讲、第2讲中对内容有深度思考和提出问题的同学。我会为你们送上奖励礼券和知识图谱。（稍后运营同学会发送短信通知。）
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欢迎你继续提问！
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