为什么要学习网络协议
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Hello World!");
}
}
2
3
4
5
上面这段代码就是一种协议，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
上面源代码机器不能直接执行，需要交给编译器进行 compile（源文件 → 词法分析 → 语法分析 → 语义分析 → 代码生成 → 目标文件）转换为机器代码才行。
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。
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。
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。
例如，浏览一个网页，浏览器会收到一段来自 HTTP 协议的“东西”，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>
</head>
</html>
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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？
在浏览器地址栏输入 https://www.kaola.com ，浏览器不知道具体的地点，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，那么去外地就要去网关。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
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？
只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。
一个网络包要从一个地方传到另一个地方，除了要有确定的地址，还需要有定位功能。
网络协议的分层和网络实体的分级管理是对应的。数据包在内网中主要依靠 MAC 地址投递。首先，IP 地址必须在有三层设备时才有用 ，而很多内网只有交换机，工作在 2 层的交换机是不能识别 IP 地址的。其次局域网内 IP 地址是动态分配的，假如我是 192.168.2.100，如果我下线了，可能 IP 就分配给了另一台电脑。IP 和设备并不总是对应的，这对通信就产生了问题，但是 MAC 地址不同，MAC 地址和设备是一一对应且全球唯一的。所以局域网使用 MAC 地址通信没有问题。
MAC 地址是唯一的，为什么可以修改 MAC 地址：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。
有了 MAC 地址为什么还需要 IP 地址：MAC 地址本身的缺陷：因为 MAC 地址是硬件提供商写在网卡中的，MAC 地址虽然唯一但是不能表明用户在整个互联网中的位置，除非维护一个超级大 MAC 地址对应表，那寻址效率肯定爆炸。但是 IP 地址解决了这个问题，因为 IP 地址是网络提供商给你的，所以你在哪里整个网络都是知道的。
早期的以太网只有交换机，没有路由器，以太网内通过 MAC 地址通信。后来才有了互联网，为了兼容原本的模式，采用了 IP+MAC 地址通信的方式。为啥不推到了重来呢？看看 IPv6 的处境你就知道了。所以是先有 MAC 地址后有的 IP，IP 的提出主要还是因为 MAC 地址本身的缺陷。
IP 地址 和 MAC 地址的关系：
- IP 和设备并不总是对应的。局域网内 IP 地址是动态分配的,如果我下线了分给我的 IP 地址就会分配给另一台电脑，通信就产生了问题
- MAC 地址和设备是一一对应的且全球唯一。所以局域网使用 MAC 地址通信没有问题
- IP 是地址，有定位功能；MAC 是身份证，无定位功能
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。
所谓的下一跳，看起来是 IP 地址，其实是要通过 ARP 在目标 IP 的网段内广播，然后等它回复得到 MAC 地址，将下一跳的 MAC 地址放在目标 MAC 地址里面。