【趣谈网络协议】第1讲 | 为什么要学习网络协议?

《圣经》中有一个通天塔的故事,大致是说,上帝为了阻止人类联合起来,就让人类说不同的语言。人类没法儿沟通,达不成“协议”,通天塔的计划就失败了。

但是千年以后,有一种叫“程序猿”的物种,敲着一种这个群体通用的语言,连接着全世界所有的人,打造这互联网世界的通天塔。如今的世界,正是因为互联网,才连接在一起。

当 “Hello World!” 从显示器打印出来的时候,还记得你激动的心情吗?

public class HelloWorld {
  public static void main(String[] args){
    System.out.println("Hello World!");
  }
}

如果你是程序员,一定看得懂上面这一段文字。这是每一个程序员向计算机世界说“你好,世界”的方式。但是,你不一定知道,这段文字也是一种协议,是人类和计算机沟通的协议,只有通过这种协议,计算机才知道我们想让它做什么。

协议三要素

当然,这种协议还是更接近人类语言,机器不能直接读懂,需要进行翻译,翻译的工作教给编译器,也就是程序员常说的 compile。这个过程比较复杂,其中的编译原理非常复杂,我在这里不进行详述。

但是可以看得出,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,就是这一段内容要符合一定的规则和格式。例如,括号要成对,结束要使用分号等。
  • 语义,就是这一段内容要代表某种意义。例如数字减去数字是有意义的,数字减去文本一般来说就没有意义。
  • 顺序,就是先干啥,后干啥。例如,可以先加上某个数值,然后再减去某个数值。

会了计算机语言,你就能够教给一台计算机完成你的工作了。恭喜你,入门了!

但是,要想打造互联网世界的通天塔,只教给一台机器做什么是不够的,你需要学会教给一大片机器做什么。这就需要网络协议。只有通过网络协议,才能使一大片机器互相协作、共同完成一件事。

这个时候,你可能会问,网络协议长啥样,这么神奇,能干成啥事?我先拿一个简单的例子,让你尝尝鲜,然后再讲一个大事。

当你想要买一个商品,常规的做法就是打开浏览器,输入购物网站的地址。浏览器就会给你显示一个缤纷多彩的页面。

那你有没有深入思考过,浏览器是如何做到这件事情的?它之所以能够显示缤纷多彩的页面,是因为它收到了一段来自 HTTP 协议的“东西”。我拿网易考拉来举例,格式就像下面这样:

HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 27 Mar 2018 16:50:26 GMT
Content-Type: text/html;charset=UTF-8
Content-Language: zh-CN

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<base href="https://pages.kaola.com/" />
<meta charset="utf-8"/> <title> 网易考拉 3 周年主会场 </title>

这符合协议的三要素吗?我带你来看一下。

首先,符合语法,也就是说,只有按照上面那个格式来,浏览器才认。例如,上来是状态,然后是首部,然后是内容

第二,符合语义,就是要按照约定的意思来。例如,状态 200,表述的意思是网页成功返回。如果不成功,就是我们常见的“404”。

第三,符合顺序,你一点浏览器,就是发送出一个 HTTP 请求,然后才有上面那一串 HTTP 返回的东西。

浏览器显然按照协议商定好的做了,最后一个五彩缤纷的页面就出现在你面前了。

我们常用的网络协议有哪些?

接下来揭秘我要说的大事情,“双十一”。这和我们要讲的网络协议有什么关系呢?

在经济学领域,有个伦纳德·里德(Leonard E. Read)创作的《铅笔的故事》。这个故事通过一个铅笔的诞生过程,来讲述复杂的经济学理论。这里,我也用一个下单的过程,看看互联网世界的运行过程中,都使用了哪些网络协议。

你先在浏览器里面输入 https://www.kaola.com ,这是一个URL。浏览器只知道名字是“www.kaola.com”,但是不知道具体的地点,所以不知道应该如何访问。于是,它打开地址簿去查找。可以使用一般的地址簿协议DNS去查找,还可以使用另一种更加精准的地址簿查找协议HTTPDNS

无论用哪一种方法查找,最终都会得到这个地址:106.114.138.24。这个是IP地址,是互联网世界的“门牌号”。

知道了目标地址,浏览器就开始打包它的请求。对于普通的浏览请求,往往会使用HTTP协议;但是对于购物的请求,往往需要进行加密传输,因而会使用HTTPS协议。无论是什么协议,里面都会写明“你要买什么和买多少”。

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。对于支付来讲,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。

TCP 协议里面会有两个端口,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。操作系统往往通过端口来判断,它得到的包应该给哪个进程。

传输层封装完毕后,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,也即电商网站所在服务器的 IP 地址。

操作系统既然知道了目标 IP 地址,就开始想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 IP 地址是本地人,还是外地人。如果是本地人,从门牌号就能看出来,但是显然电商网站不在本地,而在遥远的地方。

操作系统知道要离开本地去远方。虽然不知道远方在何处,但是可以这样类比一下:如果去国外要去海关,去外地就要去网关。而操作系统启动的时候,就会被 DHCP 协议配置 IP 地址,以及默认的网关的 IP 地址 192.168.1.1。

操作系统如何将 IP 地址发给网关呢?在本地通信基本靠吼,于是操作系统大吼一声,谁是 192.168.1.1 啊?网关会回答它,我就是,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。

于是操作系统将 IP 包交给了下一层,也就是MAC 层。网卡再将包发出去。由于这个包里面是有 MAC 地址的,因而它能够到达网关。

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。

路由器有点像玄奘西行路过的一个个国家的一个个城关。每个城关都连着两个国家,每个国家相当于一个局域网,在每个国家内部,都可以使用本地的地址 MAC 进行通信。

一旦跨越城关,就需要拿出 IP 头来,里面写着贫僧来自东土大唐(就是源 IP 地址),欲往西天拜佛求经(指的是目标 IP 地址)。路过宝地,借宿一晚,明日启行,请问接下来该怎么走啊?

城关往往是知道这些“知识”的,因为城关和临近的城关也会经常沟通。到哪里应该怎么走,这种沟通的协议称为路由协议,常用的有OSPFBGP

城关与城关之间是一个国家,当网络包知道了下一步去哪个城关,还是要使用国家内部的 MAC 地址,通过下一个城关的 MAC 地址,找到下一个城关,然后再问下一步的路怎么走,一直到走出最后一个城关。

最后一个城关知道这个网络包要去的地方。于是,对着这个国家吼一声,谁是目标 IP 啊?目标服务器就会回复一个 MAC 地址。网络包过关后,通过这个 MAC 地址就能找到目标服务器。

目标服务器发现 MAC 地址对上了,取下 MAC 头来,发送给操作系统的网络层。发现 IP 也对上了,就取下 IP 头。IP 头里会写上一层封装的是 TCP 协议,然后将其交给传输层,即TCP 层

在这一层里,对于收到的每个包,都会有一个回复的包说明收到了。这个回复的包绝非这次下单请求的结果,例如购物是否成功,扣了多少钱等,而仅仅是 TCP 层的一个说明,即收到之后的回复。当然这个回复,会沿着刚才来的方向走回去,报个平安。

因为一旦出了国门,西行路上千难万险,如果在这个过程中,网络包走丢了,例如进了大沙漠,或者被强盗抢劫杀害怎么办呢?因而到了要报个平安。

如果过一段时间还是没到,发送端的 TCP 层会重新发送这个包,还是上面的过程,直到有一天收到平安到达的回复。这个重试绝非你的浏览器重新将下单这个动作重新请求一次。对于浏览器来讲,就发送了一次下单请求,TCP 层不断自己闷头重试。除非 TCP 这一层出了问题,例如连接断了,才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求。

当网络包平安到达 TCP 层之后,TCP 头中有目标端口号,通过这个端口号,可以找到电商网站的进程正在监听这个端口号,假设一个 Tomcat,将这个包发给电商网站。

电商网站的进程得到 HTTP 请求的内容,知道了要买东西,买多少。往往一个电商网站最初接待请求的这个 Tomcat 只是个接待员,负责统筹处理这个请求,而不是所有的事情都自己做。例如,这个接待员要告诉专门管理订单的进程,登记要买某个商品,买多少,要告诉管理库存的进程,库存要减少多少,要告诉支付的进程,应该付多少钱,等等。

如何告诉相关的进程呢?往往通过 RPC 调用,即远程过程调用的方式来实现。远程过程调用就是当告诉管理订单进程的时候,接待员不用关心中间的网络互连问题,会由 RPC 框架统一处理。RPC 框架有很多种,有基于 HTTP 协议放在 HTTP 的报文里面的,有直接封装在 TCP 报文里面的。

当接待员发现相应的部门都处理完毕,就回复一个 HTTPS 的包,告知下单成功。这个 HTTPS 的包,会像来的时候一样,经过千难万险到达你的个人电脑,最终进入浏览器,显示支付成功。

 

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