最近工作中需要使用 LVS 负载均衡，而运维告知后端主机所在网段不匹配，可能无法申请。抱着好奇的心理，就去研究了下 LVS。然而网上的文章要么过于粗略，要么还是有一些细节让我百思不得其解。尤为让我疑惑的就是网络数据包的处理与分发。于是重温了有关 NAT、交换机、网关、路由等一系列相关网络概念，查阅各路大 V 的文章。最后在一个评论中不经意看到一本好书：《网络是怎样连接的》，完美地把目标从 LVS 转为了计算机网络。
这本书讲述的内容，其实跟我以前面试时很喜欢问的一个题目很类似：当你在浏览器里输入一个 URL 会发生什么。这个问题我只用过一段时间，后来就搁置了。当然了，这里主要考验的方面在于服务端以及前端的处理逻辑，跟底层网络的关系倒并不深究。而这本书则着重讲解了网络底层的处理流程，包括各种网络协议、网络设备、信号处理、操作系统 IO 处理等。推荐大家去读一下，能让你对网络有一个更形象化的认识，让你的认识更有层次逻辑。我也打算就本书做一些读书笔记，浓缩一下书中内容（毕竟 300 多页的书），以一个门外汉（Layman）的视角讲述下这里面的内容。
缘起
网络的目的，就是为了连接。最开始的需求可能是两个人的计算机要连接，互相传递数据。那么每个人的计算机里就各需要有一种设备，可以用来发送和接收数据。这个设备就是网卡。用一根线把这两张网卡连接起来，双方就可以通过信号进行通信。这根线就叫网线。
两个计算机的通信很简单，A 要给 B 发送什么数据，就构造好数据直接让网卡发出去就行，不需要问怎么到达，也不可能会丢。不过两个人聊天就是会有聊完的时候，不如加一个人一起唱戏。于是第三个人的计算机就加入进来了。那怎么连接这三个计算机呢？可以考虑让一个计算机做中继。像 ABC 这样由 B 来中继，A 要给 C 发送数据，就先发给 B，然后 B 转给 C。所以 B 上面就得有两张网卡。可是这还不够，B 怎么知道 A 发过来的数据是给自己的还是给 C 的？这里我们就需要确定各自的标识了。这种标识我们就把它叫做地址。当 A 要给 C 发送数据时，数据里额外增加一项地址，填 C，然后由 A 的网卡发出去。所以传送的数据其实是由两部分构成的，一部分是地址，一部分是真正的有效数据。地址一般放在头部，可以更快地提取出来进行识别。B 左侧的网卡（跟 A 相连的）收到后，检查数据头部的地址，发现是给 C 的，不是给自己的。那么它该用哪张网卡来发呢？肯定不能用左侧的网卡了，不然 C 就收不到了。所以左右两张网卡都要有一些标记，表明自己可以通往哪里。这就是地址表。像下面这样：
| 地址 | 网卡 | | ---- | -------- | | A | 左侧网卡 | | C | 右侧网卡 |
这时，B 就知道要用右侧网卡转发数据了，这样 C 就收到了 A 发送的数据。
三个人唱戏也唱累了，想打麻将了，又拉来了 D。这个时候怎么办？也许我们可以继续串行地连起来：ABCD。但是这样链条有点长，A 可能就不愿意跟 D 玩。还有一种方式像星状一样连接：
ABC ↕ D
A 跟 C 和 D 之间的通信，都经过 B。这里 B 就有了 3 张网卡。接下来可能还会有第五个、第六个人加入。B 可能就不太愿意了，凭什么在我身上插满了网卡？那么多数据到我这，真正给我的只有占很少一部分，这种感觉一点也不好。大家觉得也是，的确委屈 B 了。那我们把转发这种功能单独抽取出来如何？
交换机
这种只做网络数据转发的设备，我们就把它叫做交换机。它上面有多个网卡，能够根据地址表转发数据。而 A、B、C 等的网卡地址，专业术语就叫 MAC。MAC 地址由 6 个字节构成，用 16 进制表示就类似 00:00:00:00:00:00。有了 MAC 和交换机，我们就能够让所有接入交换机的计算机彼此进行通信。这就是我们整个网络中的数据链路层，也就是常说的第二层（第一层是物理层，即数字信号或模拟信号传输）。第二层传送的数据包由 MAC 头部和数据块构成。MAC 头部包含发送方的 MAC 地址（来源 MAC）和接收方的 MAC 地址（目的 MAC）。
那么在一个有交换机连接的网络里，各个计算机之间如何通信呢？假设有 4 台计算机 A、B、C、D。其中 A 和 B 各有一张网卡，MAC 地址分别是 00:00:00:00:00:AA、00:00:00:00:00:BB。然后它们分别连接到交换机的网卡 1、网卡 2 上。此时交换机里还没有任何地址表，也不需要手动维护地址表。A 要给 B 发送数据，则要填写 B 的 MAC 地址。A 构造数据包，来源 MAC 填写 00:00:00:00:00:AA，目的 MAC 填写 00:00:00:00:00:BB，通过 A 的网卡发送给交换机。交换机从与 A 连接的网卡 1 都收到一个数据包，解析来源 MAC 地址，此时就把 MaC 地址 A 与 网卡 1 写入地址表。此时地址表为：
| MAC 地址 | 交换机网卡号 | | ----------------- | ------------ | | 00:00:00:00:00:AA | 1 |
接着解析目的 MAC 地址，得到 00:00:00:00:00:BB。但是地址表中没有该地址的记录，交换机不知道该从哪个网卡转发出去数据包。于是交换机就把数据包转发到它自己的所有网卡，除了来源网卡（即网卡 1）。这就叫广播。这样 B、C、D 都会收到该数据包。它们的网卡在收到数据包后，会解析出目地 MAC。其中 C、D 发现跟自己的 MAC 地址不一样，直接丢弃（它要是不丢而是要偷窥怎么办？那么没办法，这就是网络安全地范畴了）。B 发现是发给它的数据包，就接收并处理了。接着 B 回复数据给 A。跟上面的流程类似，交换机收到数据包后会往地址表里增加新的一项：
| MAC 地址 | 交换机网卡号 | | ----------------- | ------------ | | 00:00:00:00:00:AA | 1 | | 00:00:00:00:00:BB | 2 |
由于目标地址是 00:00:00:00:00:AA，在交换机地址表里存在，此时就不需要做广播了。
这样一个小网络就成型了。接下来要接入的人越来越多，数据包也越来越多。我们还想跟遥远的别的人群进行通信。这会不会有问题呢？如果会，又会有哪些问题呢？不妨先想想，后面我们再来看看。
