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，明日启程，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OSPF和BGP。
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。
小结
看到了吧，一个简简单单的下单过程，中间牵扯到这么多的协议。而管理一大片机器，更是一件特别有技术含量的事情。除此之外，像最近比较火的云计算、容器、微服务等技术，也都需要借助各种协议，来达成大规模机器之间的合作。
我在这里列一下之后要讲的网络协议，之后我会按照从底层到上层的顺序来讲述。
上面的“双十一”故事只是为了给你一个大致的框架，这里面有些协议，我在故事里已经提到了，有些还没有提到。在这门课的最后一章，当所有的协议都讲过之后，我会再重新讲一遍这个故事，到时候你就能明白更多的细节。
最后，学完了这一节，给你留一个问题吧。
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？
欢迎你留言和我讨论。趣谈网络协议，我们下期见！
- 陶家顺 👍（1416） 💬（39）
1. mac地址是唯一的，为什么可以修改?想想身份证，身份证号是唯一的，不能改变的，但是可以造价。mac地址全球唯一，它是固化在网卡里的。网卡毕竟是个硬件，需要软件支持，既操作系统识别。重点来了，操作系统识别出来的mac地址是可以更改的，它只不过是一个字符串。我们常说的修改mac指的是修改电脑中记录的既注册表中的记录。 2. 有了mac地址为什么还要有ip地址。举个例子，身份证号是你的唯一标识，不会重复，一落户就有（网卡一出厂就有mac）。现在我要和你通信（写信给你），地址用你的姓名+身份证，信能送到你手上吗?明显不能！身份证号前六位能定位你出生的县。mac地址前几位也可以定位生产厂家。但是你出生后会离开这个县（哪怕在这个县，也不能具体找到你）。所以一般写个人信息就要有出生地和现居地址了。
2018-08-23 - 党 👍（219） 💬（3）
ip是网络层使用的 mac是链路层使用的 ip包最终还是要通过物理链接和mac地址进行交互的
2018-05-29 - 糖小宝 👍（95） 💬（7）
感觉Mac地址是手机号码，IP地址是省市区加街道详情 点外卖的话，只有手机号码是找不到订餐人的 只有按照省市区加街道详情，找到对应办公室 大吼一声：“尾号XXXX是哪位？您的外卖到了！！！” 订餐人：“这儿呐~我哒~~~” END
2019-05-15 - iceco1a 👍（65） 💬（4）
网卡MAC码是由全球惟一的一个固定组织来分配的，未经认证和授权的厂家无权生产网卡。每块网卡都有一个固定的卡号，并且任何正规厂家生产的网卡上都直接标明了卡号，一般为一组12位的16进制数。其中前6位代表网卡的生产厂商。后面的位数是设备号。当然在操作系统级别改Mac地址又是一种说法。
2018-05-31 - LIU 👍（62） 💬（4）
Mac是identify; IP是locate
2019-03-17 - 罗格 👍（38） 💬（10）
十分感谢作者大大的回复，今天才看到不好意思，我自己后来发现还是有些疑问在纠结，查了许多相关资料还是没解决，又厚着脸皮来请教…… 一、文中说”每个城关都连着两个国家，”，又说“城关与城关之间是一个国家”，因为“城关是路由器，国家是局域网”，那关系就是“局域网—路由器—局域网—路由器—局域网”这样子吗？ 二、"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"，是因为上面路由器和局域网关系中的两个路由器都处于中间那个局域网中的原因所以可以使用arp协议获取对方的mac地址吗？还是上面说的OSPF协议呢（我查的资料里说OSPF获取的是链路状态，具体没说mac地址还是ip地址）？ 三、“本地通讯基本kao吼”，ARP协议只在本地作用么？这个“本地”是指局域网还是什么？ 四、我查阅的资料里说自治系统中是包含多个路由器的，而且通常一个自治系统也包含多个局域网，那一个局域网里会包含多个路由器吗？如果我第一个问题里的图成立的话那意味着每个局域网都有两个路由器？ 上述四个问题困扰我许久，对我原来的认知产生了一些颠覆，还望作者大大不吝赐教，万分感谢……
2018-12-04 - Geek-Leon 👍（36） 💬（1）
有既不走UDP又不走TCP的应用层协议吗？
2018-05-18 - Len 👍（11） 💬（1）
除了网络分层基础之外，我想这个问题的主要原因是: 并不是每一个设备都有一个“物理”或“外网” IP，我们的目标 IP 可能是一个局域网。( 想想家里面每一台设备都间接的通过连接路由器上网，但是我们所有设备的外网出口 IP 都是同一个。) 当我们的数据包达到目标 IP 后，通过 Mac 地址送达到具体“局域网”的某台具体物理设备上。是这样吗？
2018-05-24 - 云飞扬 👍（10） 💬（1）
有点儿笼统，希望讲的再详细一点
2018-05-18 - zhangc 👍（8） 💬（4）
tcp重试有没有可能导致重复下单？
2018-05-27 - sandra 👍（5） 💬（2）
看完21节课 再反过头来看这一节 才能看懂
2018-07-07 - 黄小妖 👍（4） 💬（2）
Hello 刘超老师。有一点不是很明白。 当我需要发给外网，我明白可以通过HTTPDNS知道对方的IP地址，并且可以通过ARP，知道我本地网关的MAC地址。 那么，1. 当我到了网关，我可以通过路由表，知道我下一跳在哪（也就是知道IP），那我怎么知道下一跳的MAC地址呢？网关（路由器）每个端口都是不同的网段呀，不可能通过ARP去得到MAC地址呀？ 2. 当我一跳跳的过程中，IP头和MAC头是不断叠加，还是说我每一跳，就会把原有IP头和MAC头，更新，把原来的MAC地址换成新的MAC地址？（但是感觉逻辑上说不通，觉得应该是不断叠加。） 期待老师的回复解答。谢谢！
2019-08-02 - 皮皮侠 👍（3） 💬（1）
ip协议只是找到一个子网，mac才能找到局域网的主机
2019-07-07 - coder 👍（3） 💬（1）
老师好，有个问题，关于Mac地址的，一般认为设备的Mac地址是全球唯一的，我好奇的是，世界上有这么多的设备制造商，他们是怎么做到设备的Mac地址不会重复的，怎么理解mac地址的含义？
2019-05-31 - Geek_d4dee7 👍（2） 💬（1）
不知道老师还能不能看到留言 网关是什么 网卡跟网关是一回事吗
2019-06-19