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深色模式

01 · 分层模型与一次请求的一生 ​

这是网络模块的总纲。先看懂这篇的"封装-解封装"过程，后面四篇才有地方挂。

一句话本质 ​

数据从上往下走，每层加一个头（封装）；到了对方从下往上走，每层拆一个头（解封装）。网络的一切复杂度，都在这些头里。

生活类比：寄快递的层层包装 ​

你写的信（应用层数据）
  v 装进信封，写上"收件人、寄件人"（加 TCP 头）
  v 装进快递袋，写上"地址、单号"（加 IP 头）
  v 贴上面单，写上"本小区 3 号楼"（加 MAC 头）
  v 交给快递员（物理传输）

到了分拣中心：
  v 撕掉面单（拆 MAC 头）—— 因为要重新决定下一站
  v 看快递袋上的地址（IP 头）—— 决定往哪发
  v 贴上新面单（加新 MAC 头）—— 下一跳

到了收件人：
  v 撕面单（拆 MAC）
  v 撕快递袋（拆 IP）
  v 拆信封（拆 TCP）
  v 拿到信（应用层数据）

关键：分拣中心（路由器）只拆到"快递袋"（IP 层），不会拆信封（TCP 层）。这是分层的精髓——每一层只关心自己那层的头。

核心机制 ​

一、封装：从上往下，逐层加头 ​

假设浏览器要发一个 HTTP 请求 GET /a：

应用层   GET /a HTTP/1.1  +  Host: x.com
           |
           |  加 TCP 头：源端口、目的端口、序号、窗口
           v
传输层   [TCP头][GET /a ...]
           |
           |  加 IP 头：源 IP、目的 IP、TTL
           v
网络层   [IP头][TCP头][GET /a ...]
           |
           |  加 MAC 头：源 MAC、目的 MAC、校验
           v
链路层   [MAC头][IP头][TCP头][GET /a ...][FCS]

每个头解决的问题：

层头里有什么解决什么
链路层源 MAC、目的 MAC这一跳交给谁
网络层源 IP、目的 IP、TTL最终送到哪、能活多久（防环）
传输层源端口、目的端口、序号、确认号、窗口交给哪个进程、保证不丢不乱

二、MTU 与 MSS：为什么要切 ​

MTU（Maximum Transmission Unit）= 链路层能承载的最大帧载荷，以太网默认 1500 字节
MSS（Maximum Segment Size）= TCP 段的最大数据长度 = MTU - IP头(20) - TCP头(20) = 1460

为什么要切：链路层一次传不了那么大的数据。你发 1MB 的数据，TCP 会切成约 700 个 MSS 大小的段。

切太大会怎样：如果 IP 包超过 MTU 且不允许分片，会被丢弃，返回 ICMP "需要分片"。这就是 PMTUD（路径 MTU 发现） 要解决的问题，也是某些网络"能 ping 通但打不开网页"的原因。

三、转发：每一跳发生了什么 ​

主机 A --> 路由器 1 --> 路由器 2 --> 主机 B

在主机 A：

  1. 查路由表：目的 IP 不在本网段 > 交给默认网关（路由器 1）。
  2. 查 ARP：网关 IP 对应的 MAC 是多少。
  3. 封装：目的 MAC = 路由器 1 的 MAC，目的 IP = 主机 B 的 IP。

在路由器 1：

  1. 拆链路层头（看目的 MAC 是自己，收下）。
  2. 看 IP 头里的目的 IP，TTL 减 1，查路由表决定下一跳。
  3. 重新封装：目的 MAC = 路由器 2 的 MAC，源 MAC = 路由器 1 出接口的 MAC，IP 头不变。

必记结论：

  • MAC 每跳都变，IP 端到端不变（NAT 场景例外）。
  • TTL 每跳减 1，减到 0 就丢弃并回 ICMP 超时——这是 traceroute 的原理。

四、分片与重组 ​

IP 层如果遇到超过 MTU 的包，可以分片（IPv4）。但分片很糟：

  • 任一分片丢失，整个包要重传。
  • 分片增加路由器负担。

所以现代做法是：IP 层不分片（设 DF 位），由 TCP 按 MSS 切好。IPv6 干脆取消了路由器分片。

五、端口：数据交给哪个进程 ​

一个 TCP 连接由四元组唯一标识：
  (源IP, 源端口, 目的IP, 目的端口)

所以：
  同一个客户端可以同时开很多连接访问同一个服务器 —— 源端口不同
  一个服务器端口（比如 80）可以同时服务成千上万个连接 —— 靠四元组区分

这解释了一个常见疑问：为什么服务端只监听一个 80 端口，却能处理上万并发？因为连接不是靠端口区分的，是靠四元组区分的。

六、完整时序 ​

① 浏览器 -> 本地 DNS   查询 www.example.com              【网络 05】
② 本地 DNS -> 浏览器   返回 IP 93.184.216.34
③ 浏览器 -> 服务器     SYN                                【网络 02】
④ 服务器 -> 浏览器     SYN+ACK
⑤ 浏览器 -> 服务器     ACK          => TCP 连接建立
⑥ 浏览器 -> 服务器     TLS 握手（若 HTTPS）               【网络 04】
⑦ 浏览器 -> 服务器     GET /index.html                    【网络 04】
⑧ 服务器 -> 浏览器     200 OK + HTML
⑨ 双向               数据分片、编号、滑动窗口            【网络 03】
⑩ 浏览器 -> 服务器     FIN                                【网络 02】
⑪ 服务器 -> 浏览器     ACK
⑫ 服务器 -> 浏览器     FIN
⑬ 浏览器 -> 服务器     ACK          => 连接关闭

为什么这么设计 ​

反事实 1：如果不分层，会怎样 ​

一个协议要同时管"找路 + 不丢包 + 数据格式 + 加密"。后果：

  • 换 WiFi 就要重写整个协议栈。
  • 想给 HTTP 加密（HTTPS），得改底层寻址逻辑。
  • 每个应用（邮件、网页、视频）都要自己实现可靠传输。

分层让每一层可以独立演进：HTTP/2 只改了应用层，TCP 一点没动；QUIC 把可靠传输搬到 UDP 上，只动了传输层。

反事实 2：如果路由器要拆到应用层，会怎样 ​

路由器要理解 HTTP、SMTP、FTP 每种协议的格式——不可能，而且每出一个新协议就要升级所有路由器。

所以路由器只拆到 IP 层：它只需要知道"目的 IP 是谁"，不需要知道"里面装的是什么"。这就是"端到端原则"：复杂的功能放在端上，网络中间尽量简单。

反事实 3：如果没有端口，会怎样 ​

一台机器上跑着浏览器、微信、数据库。数据到了，交给谁？

没有端口的话，只能靠"应用自己识别数据"——每个应用都要读所有收到的包，判断"这是不是我的"。既低效又不安全。

端口本质是给进程编了个号，让内核能直接分发。

面试怎么问 ​

Q：TCP/IP 四层（或 OSI 七层）分别是什么？各层有什么协议？

四层：应用层（HTTP/DNS/FTP）、传输层（TCP/UDP）、网络层（IP/ICMP/ARP 争议）、链路层（以太网/ARP）。 七层：物理、数据链路、网络、传输、会话、表示、应用。说完补一句"OSI 是教学模型，实际是 TCP/IP 四层"，显得不背书。

Q：数据从应用层到物理层，经过了什么？

逐层封装，每层加头：TCP 头（端口、序号）> IP 头（IP、TTL）> MAC 头（MAC、FCS）。到对方逐层解封装，每层拆自己那个头，把剩下的往上交。

Q：路由器转发时，什么变了什么没变？

变了：源 MAC、目的 MAC（每跳重写）、TTL（每跳减 1）。 没变：源 IP、目的 IP（NAT 场景除外）、TCP 头（端口、序号全部不变）。 这是区分"懂不懂分层"的经典题。

Q：为什么服务端一个端口能处理上万连接？

因为连接由四元组标识（源IP、源端口、目的IP、目的端口），不是由端口标识。不同客户端的源 IP/端口不同，就是不同的连接。

追问链：

一次请求经过哪些层？
  > 每层加了什么头？（端口 / IP / MAC）
    > 路由器拆到哪一层？（只到 IP 层）
      > 为什么不多拆？（端到端原则，中间要简单）
        > MAC 每跳都变，IP 不变，为什么？（MAC 只管这一跳）
          > 那 NAT 呢？（NAT 会改 IP，所以破坏了端到端，是过渡方案）

和其他知识的连接 ​

自测 3 问 ​

Q1：路由器转发时，为什么要重写 MAC 头？

点开看答案

因为 MAC 地址只在同一个局域网（广播域）内有效。

主机 A 和主机 B 可能隔了 10 个路由器，A 根本不知道 B 的 MAC（也不需要知道）。A 只知道"下一跳是网关"，所以把目的 MAC 写成网关的。

网关收到后，要发给下一个网关，就得把目的 MAC 改成下一个网关的 MAC。每一跳都是"当前节点 > 下一个节点"的关系，所以 MAC 每跳都要重写。

而 IP 是端到端的最终地址，全程不变（NAT 除外）。

Q2：为什么服务端 80 端口能同时处理上万连接？

点开看答案

因为端口不是连接的唯一标识，四元组才是：

(客户端IP, 客户端端口, 服务器IP, 服务器端口)

一万个客户端连过来，服务器 IP 和端口都是 1.2.3.4:80，但客户端 IP/端口各不相同，所以是 1 万个不同的连接。

内核的 socket 表按四元组查找，每个连接一个 socket 结构。"监听 80 端口"的那个 socket 只负责接受新连接（accept），接受后创建的新 socket 才承载数据。

Q3：TTL 是干什么的？为什么需要它？

点开看答案

TTL（Time To Live）是 IP 头里的一个计数器，每经过一个路由器减 1，减到 0 就丢弃并回一个 ICMP 超时。

存在理由：防止路由环路把网络打爆。如果路由表配错形成环，包会在两个路由器之间无限打转，每秒几百万个包会把链路彻底堵死。有了 TTL，最多转 64 跳就死掉。

副产品：traceroute 就是利用它——发 TTL=1 的包，第一个路由器回超时，就知道第一跳是谁；TTL=2 就知道第二跳，依次推出整条路径。

类比失效处 / 易错点 ​

  • "快递袋"类比会让人以为分拣中心要拆开看。实际路由器只看 IP 头，连 TCP 头都不看（除了 NAT 和防火墙）。
  • "每层加头"不是无限的。头本身有开销：TCP+IP 头 40 字节，如果数据只有 1 字节，开销率 97.6%。所以小包合并（Nagle 算法）是有意义的。
  • ARP 到底属于哪一层有争议。它工作在链路层和网络层之间，通常归为链路层，但它处理的是 IP 地址。
  • "OSI 七层"不要和"TCP/IP 四层"混着说。面试时先答四层（实际），再提七层（模型）。
  • IP 头不变，但 IP 包可能被分片。分片后每个分片有自己的 IP 头（部分字段复制），重组在目的主机完成。

✅ 验收清单 ​

  • 能画出封装/解封装图，标出每层加的头和头里的关键字段
  • 能说出路由器转发时"什么变、什么不变"（MAC 变、IP 不变、TTL 减 1）
  • 能解释为什么路由器只拆到 IP 层（端到端原则）
  • 能用四元组解释"一个 80 端口为什么能扛上万连接"
  • 能算出 MSS = MTU - 40，并说出为什么要切段
  • 能解释 TTL 的两个作用（防环 + traceroute 原理）
  • 合上书，用自己的话讲 3 分钟，中途不卡壳