心中的网络

NOTE

这个标题的灵感来自于《心中的内核》（The Kernel in the Mind）。

概念介绍

以太网和 IP 网

本文讨论的是多数人最常接触到的网络类型——以太网和 IP 网。他们属于分组交换、无连接的数据报网络。

• 以太网（Ethernet）：工作在数据链路层（L2），数据单元叫做帧（Frame），帧头包含源 MAC 地址和目的 MAC 地址等信息。以太网帧通常作为物理层信号的载荷在线缆或无线电波中传输，平时常见的“网线”上就传输这种数据。
• IP（Internet Protocol）：工作在网络层（L3），硬翻译过来叫网际协议（大家一般不这么叫），从它的名字上可以看出来最开始设计是服务于网络之间（inter-network）连接的协议。数据包的头部包含源 IP 地址和目的 IP 地址等信息。大多数场景下，IP 包作为载荷封装在以太网帧里传输。

网络分层模型

整个网络被拆为了不同的层，各司其职，有 OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型两种分法。详细信息可以参考 zhwiki:互联网协议套件。

OSI 层号	OSI 名称	TCP/IP 层号	TCP/IP 名称
7 6 5	应用层 表示层 会话层	4	应用层
4	传输层	3	传输层
3	网络层	2	网络互连层
2 1	数据链路层 物理层	1	网络访问（链接）层

实践上，常用 TCP/IP 四层模型的分法，但是用 OSI 七层模型的叫法，下面举一些例子。

• 二层交换机（L2 Switch）：只有以太网包转发功能的交换机
• 三层交换机（L3 Switch）：有以太网转发和 IP 路由功能的交换机
• 四层协议：比如 TCP、UDP
• 七层代理 / 七层负载均衡：能解析 HTTP 头、URL 等应用层信息做转发决策的反向代理

另一种理解角度

• 用网线连接两个接口（interface），他们之间要传输数据，就形成了数据链路层
• 两个主机（host）要互相通信，他们要在网络中标记自身，就有了 IP 地址和网络层
• 两个应用（application）要互相通信，他们需要有一个直达对方的数据通道以及要传输的数据格式规范，就有了传输层和应用层

数据的封装结构

发送数据时，每一层都会在上一层交下来的数据前面加上自己的头部（有时还有尾部），这个过程叫封装；接收时反过来，从下往上一层一层拆掉头部，叫解封装。

以一次 HTTPS 请求为例，数据在网线上传输时的实际结构如下——从外到内，逐层包裹：

┌────────────────────────────────────┐
│ Ethernet Header (src/dst MAC addr) │
├────────────────────────────────────┤
│ IP Header (src/dst IP addr, TTL)   │
├────────────────────────────────────┤
│ TCP Header (src/dst Port, Seq)     │
├────────────────────────────────────┤
│ TLS Header                         │
├────────────────────────────────────┤
│                                    │
│          Encrypted HTTP            │
│                                    │
├────────────────────────────────────┤
│ Ethernet Trailer (FCS)             │
└────────────────────────────────────┘

每一层只关心自己的头部信息。外层设备看不见内层，内层也感知不到外层的存在。

像网络设备一样思考

学习或排查网络问题时，一个常见误区是带着「上帝视角」去看问题——同时检查 MAC 地址、IP 地址、端口号、防火墙规则，毫无头绪。实际上，每一台网络设备只能看到自己所在协议层的信息。如果能放下上帝视角，站到设备的角度上去看它看到了什么、它能决定什么，问题往往就清晰了。

二层交换机（二层转发）

交换机将多个链路连接在一起，链路上的所有设备组成同一个链路本地网络。

这里讨论的是「傻瓜交换机」（Dumb Switch），不考虑 VLAN 等技术——它们对于初学者来说过于复杂，并且可以用相同的方法去思考。

• 能看到什么：以太网帧头里的源 MAC 地址和目的 MAC 地址。看不到 IP 地址，更看不到 TCP/UDP 端口——交换机根本不知道 IP 是什么。
• 自己有什么：MAC 地址学习表（也叫 MAC 表或 CAM 表），每条记录是一个 MAC 地址对应一个物理接口。
• 要干什么：收到帧后，把源 MAC 和接收接口记到学习表里（学习），然后查目的 MAC 在学习表中的对应接口（查找）。如果找到了，从对应接口转发出去；如果找不到（未知单播），就向除了接收接口以外的所有接口泛洪（Flood）。

一句话概括

看源 MAC 学习，看目的 MAC 转发，找不到就全网广播。

路由器（三层转发）

路由器同时连接到多个网络，在网络之间转发 IP 包。

三层交换机也是一种路由器——它在硬件上同时做了二层转发和三层转发，但三层转发的思考方式完全一样。

• 能看到什么：IP 包头里的源 IP 地址、目的 IP 地址、TTL 等。外层的以太网帧头，每经过一跳就会被拆掉并重新封装，路由器并不依赖它做转发决策。
• 自己有什么：路由表，每条记录包含目的网络前缀、下一跳地址。带有 IP 地址的接口，用于接收和发送 IP 包。
• 要干什么：收到 IP 包后，在路由表里做最长前缀匹配，找到最精确的那条路由，找不到就使用默认路由（默认路由是一条特殊的路由，前缀长度为 0，能匹配上任何地址，最不精确）。TTL 减 1（如果减到 0 就丢弃并回 ICMP 超时），然后通过能够连接到下一跳的接口（可能是物理接口，也可能是虚拟隧道接口）将这个 IP 包发给下一跳设备。

一句话概括

根据目的 IP 地址查路由表转发到下一跳设备（路由器），找不到就转发到默认路由。

网络主机

主机上发生的事情就比较复杂了，但是自顶向下也会经历上面的三层转发处理和二层转发处理，可以用相同的方法思考。