波仔
🕸️ 第三章 为Web提供支持的技术
📄 一句话概括

上网这件事被拆成四层来干，每层只管自己那一小段；层层套壳之后，一段文字才变成能穿越大半个地球的包裹。

📝 本节和前面几节的关系

3-1 列了一张支撑技术的全景表，这一节从表里最底下的那一层讲起：TCP/IP 是一整套协议族，不是单个协议。它是后面 DNS、DHCP、TLS 全部站上去的地基。

一、为什么要分层

如果全世界的网络只用一套规则，那么任何一处改动都要全世界跟着改——换个网卡技术、换个传输方式，都得重新设计一遍。

分层的思路是把问题切开：每一层只管自己的那一小段，层与层之间只约好接口。这样换掉某一层的东西，其他层不用动。这也是网络能从几十台机器长到今天这个规模的原因。

二、四层各自的本职

TCP/IP 通常分四层，从下往上分别是链路层、网络层、传输层、应用层。

链路层管【这一跳】：在相邻的两台设备之间把数据送过去，典型协议是以太网和 Wi-Fi。

网络层管【从起点到终点】：给每台机器编号并按编号找路，主角是 IP。它只负责尽力送达，不保证顺序、也不保证不丢。

传输层管【完整有序】：TCP 把大块数据切成段、编上号，丢了就重发；UDP 则相反，图快不图全。

应用层管【给用户提供什么服务】：HTTP 取网页、DNS 查名字、FTP 传文件、SMTP 发邮件，全在这一层。

三、动手 Demo：套壳的账与等待的账

数据不是凭空过去的，它每往下走一层就要加一段头。这段头不多，但架不住层层都加。

head = {"HTTP 头": 400, "TCP 头": 20, "IP 头": 20, "以太网头": 14, "帧校验": 4}
body = 1000
total = body + sum(head.values())
print("净荷", body, "字节，实际发出", total, "字节")
print("开销 %d 字节，占 %.1f%%" % (sum(head.values()), sum(head.values()) * 100.0 / total))
print("净荷占比 %.1f%%" % (body * 100.0 / total))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
D2  TCP/IP：四层怎么分工、每层加多少头
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  TCP/IP 不是单个协议，而是一整套。它把活分成四层，每层只管自己那一摊，
  上一层的数据往下走的时候，每一层都要给它套一层壳。

  层              本职                                      典型协议
  --------------------------------------------------------------------------------------
  应用层          决定给用户提供什么服务                    HTTP、DNS、FTP、SMTP
  传输层          把数据切成段、保证完整有序                TCP、UDP、QUIC
  网络层          给每台机器编号并按编号找路                IP、ICMP、ARP
  链路层          在相邻两台设备之间传这一跳                以太网、Wi-Fi

  发一条 1000 字节的正文，一路上要套几层壳：

  层次              加了什么                      字节          累计
  ----------------------------------------------------------------------------
  正文              要传的内容本身                1000          1000
  应用层            HTTP 头（含 Cookie 等）       400           1400
  传输层            TCP 头（端口、序号）          20            1420
  网络层            IP 头（源与目的地址）         20            1440
  链路层            以太网头（MAC 地址）          14            1454
  链路层            帧校验（FCS）                 4             1458

  净荷 1000 字节，实际发出去 1458 字节
  多出来的壳 458 字节，占 31.4%
  真正有用的部分只占 68.6%

  壳看着多余，但正是它让【一段文字】变成了【能穿越大半个地球的包裹】。

  再说【等多久】。TCP 要先把连接建立起来才能传数据，这一来一回的耗时叫 RTT：

  场景                  一次往返              建连接要多久
  ------------------------------------------------------------------
  同一个局域网          1 ms                  1 ms
  同一个城市            10 ms                 10 ms
  跨省                  30 ms                 30 ms
  跨太平洋              150 ms                150 ms

  注意：这只是建立连接。如果还要走 HTTPS，加密握手起码再来一次往返。

两笔账值得记住。第一笔是套壳的账：1000 字节的正文，发出去变成 1458 字节，多出来的 458 字节全是头，占了三成。头看着浪费，但它正是【一段文字】能变成【能穿越大半个地球的包裹】的原因。

第二笔是等待的账：TCP 要先把连接建立起来才能传数据，这一来一回的耗时叫 RTT。同一个局域网 1 毫秒无所谓，跨太平洋 150 毫秒就肉疼了——因为后面还要握手，而握手是按【往返次数】算的。

四、用一层的眼光想问题

分层不只是画图好看，它直接决定了排查和优化的方向。

网站打不开，先按层往下问：域名能不能解析（应用层）、端口通不通（传输层）、能不能 ping 到（网络层）、网线灯亮不亮（链路层）。一层一层测下来，故障点很快就锁定了。

优化也一样：想减少等待，压缩的是往返次数；想减少体积，动的是头的数量。知道自己在哪一层动刀，才不会做无用功。

30 秒实验

  1. 在命令行运行 ping 8.8.8.8，看输出里的 time=xx ms——那就是一次往返的耗时，也是握手耗时的基本单位。
  2. 运行 tracert www.baidu.com（Windows）或 traceroute（macOS / Linux），数一数从你家到服务器一共经过路由器几跳。
  3. 在开发者工具的 Network 面板里看 Connection 那一列写的是 h2 还是 h3，这能看出你走的是 TCP 还是 QUIC。

常见误区

  1. 错误：TCP/IP 是一个协议。——纠正：它是一整套协议族，TCP 和 IP 只是其中最有名的两个。同一个筐里还装着 UDP、ICMP、ARP、HTTP、DNS 等等。把它当成【一整套规则】，才不会到处找不到【那个叫 TCP/IP 的协议】。
  2. 错误：分层只是为了分类好看。——纠正：分层的真正价值是可替换。在 IP 之上既可以用 TCP，也可以用 UDP 和 QUIC——HTTP/3 就是靠这一点才换得动传输层。
  3. 错误：每层加的那些头是浪费。——纠正：每段头都在解决一类问题：端口决定交给哪个程序、IP 决定送到哪台机器、MAC 决定交给哪块网卡。去掉任何一段，对应那件事就没人干了。
  4. 错误：TCP 一定比 UDP 好。——纠正：它们服务的目标不一样。TCP 要的是【一个字节都不少】，UDP 要的是【别等】。直播、语音这种【迟到的数据没用】的场景，反而应该选 UDP。
自测三问（点开对答案） 1. 四层各自解决什么问题？ —— 链路层解决【这一跳怎么送】，网络层解决【从起点到终点怎么找路】，传输层解决【数据完整有序】，应用层解决【给用户什么服务】。**记的时候按【一跳、一路、一段、一层服务】来记**，比背协议名管用。 2. 1000 字节的正文为什么会变成 1458 字节？ —— 因为每往下走一层就要加一段头：HTTP 头 400 字节、TCP 头 20 字节、IP 头 20 字节、以太网头 14 字节、帧校验 4 字节，**加起来 458 字节**。**这个比例说明：小文件传输的开销占比会特别难看**——所以小图片要合并、要内联。 3. 为什么跨洋访问对握手次数特别敏感？ —— 因为**握手是按往返次数算的**，一次往返 150 毫秒。TLS 1.2 要 2 次、TLS 1.3 只要 1 次，**差的就是实打实的 150 毫秒**。距离没法缩短，能缩的只有往返次数。

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