协议栈分层模型

TCP/IP 四层模型

实际工程中使用的分层模型。

层职责典型协议
应用层用户应用，定义命令与响应格式HTTP, DNS, SSH, FTP, SMTP
传输层端到端通信，端口寻址TCP, UDP
网络层IP 寻址与路由转发IP, ICMP
网络接口层帧传输与地址解析以太网, ARP*

OSI 七层模型

理论参考模型，与 TCP/IP 四层的对应关系如下。

TCP/IPOSI
应用层7.应用层、6.表示层、5.会话层
传输层4.传输层
网络层3.网络层
网络接口层2.数据链路层、1.物理层

TLS 的位置

TLS 介于传输层与应用层之间，对应 OSI 第 6 层表示层。它对上透明服务应用层，对下依赖传输层提供的可靠通道，负责加密、解密、握手协商、证书验证。TLS 不感知应用数据语义，可服务于多种应用层协议（HTTPS、FTPS、SMTP over TLS 等）。

ARP 的归属

ARP（Address Resolution Protocol）在不同标准中归属不同：IEEE 将其划分为数据链路层，IETF（RFC 1122）将其划分为链路层与网络层之间的接口协议。本文采用 IETF 的视角，将 ARP 视为服务于数据链路层 MAC 寻址的辅助协议。

数据封装与解包

协议栈分层在数据传输中体现为从内到外封装、从外到内解包。

Sender (top-down encapsulation):
  [App Data]
  → [TCP header] [App Data]
  → [IP header]  [TCP header] [App Data]
  → [Frame MAC]  [IP header]  [TCP header] [App Data]  ← outermost

Router forwarding (peel outer, replace, re-wrap):
  Strip frame header → Read destination IP
  IP/TCP/App layers unchanged
  Attach new frame header → Forward

关键不变量：

  • IP 地址在端到端传输中保持不变
  • MAC 地址在每一跳之间变化
  • 路由器解包到网络层即停止，不触及传输层与应用层

*ARP 的分层归属存在争议（IEEE 归入数据链路层，IETF 归入网络层与链路层之间），详见上文「ARP 的归属」一节。

核心概念

后续章节会频繁引用以下术语，先做统一定义。

术语定义
网络接口（Interface）主机或路由器上的一个物理或虚拟网络出口，对应一根链路。eth0、eth1、docker0 都是接口。
网段（Subnet）由 IP 网络号划分的逻辑范围，与一个物理广播域对应。表示形式 192.168.1.0/24。
子网掩码（Netmask）切分 IP 地址的位边界，描述网段大小。/24 等价于 255.255.255.0。
广播域一个 ARP 广播能够到达的范围，通常等于一个网段。
网关（Gateway）连接两个或多个网段的设备 IP，跨网段通信必须经过网关。
一跳（Hop）数据包从一个网段转移到另一个网段的过程。

接口、网段、掩码三者的关系是本文的核心：IP 地址挂在接口上，每个接口连一个网段，掩码描述该网段的规模。

整体数据流向

从主机接入网络到完成一次发包，过程可以划分为三个阶段。后续章节按阶段展开。

Stage 1: Provisioning (DHCP)
  Router/DHCP server → assigns IP/netmask/gateway → kernel auto-builds routing table

Stage 2: Send decision (Network layer)
  Application sends → lookup routing table → connected or non-connected?

Stage 3: Link transmission (Data link layer)
  Connected     → ARP target IP   → send frame
  Non-connected → ARP gateway IP  → send to gateway → router forwards hop by hop

阶段 1：DHCP 接入与路由表构建

物理拓扑

路由器是网段的管理者。它的每个接口连着一个独立的物理网络。

              Router
             /      \
          eth0      eth1
      192.168.1.1  10.0.0.1
           |            |
   +---------------+ +-----------------+
   |192.168.1.0/24 | | 10.0.0.0/24     |
   |  Subnet 1     | |  Subnet 2       |
   +---------------+ +-----------------+
           |            |
      Host A, B...  Host C, D...

DHCP 分配过程

家庭网络中，路由器通常同时充当 DHCP 服务器；企业网络中则可能由独立的 DHCP 服务器承担，路由器仅做 DHCP Relay。下面以家庭网络为例。

DHCP 使用 UDP，客户端端口 68，服务端端口 67。四步流程称为 DORA：

1. Host A → DHCP Discover (broadcast: "Who is the DHCP server?")
2. Server → DHCP Offer    ("I am. You may use 192.168.1.10/24, gw 192.168.1.1")
3. Host A → DHCP Request  ("I want this IP")
4. Server → DHCP ACK      (lease confirmed)

服务器分配给主机的三个关键信息：

信息含义来源
IP 地址主机在该网段中的身份服务器管理的地址池
子网掩码该物理网络的规模接口所连网段的预先规划
网关 IP跨网段时的转发出口路由器在该网段的接口 IP

路由表自动生成

主机接收 DHCP 分配后，内核根据接口配置自动生成路由表，无需手动维护。

DHCP assigns → IP 192.168.1.10/24, gateway 192.168.1.1
                            ↓
Kernel configures eth0:
  1. Set IP 192.168.1.10/24 on eth0
     → Compute network number 192.168.1.0
     → Auto-generate connected route: 192.168.1.0/24 dev eth0
  2. Install default route: default via 192.168.1.1 dev eth0

掩码的作用是在接口配置阶段生成直连路由条目，并非在每次发包时实时计算。直连路由没有 via 字段，非直连路由通过 via 指定下一跳。

多接口场景

IP 地址挂在接口上，主机有几个接口就有几个 IP 身份。每个接口的掩码描述该接口所连物理网络的实际规模。

$ ip addr
eth0:    192.168.1.10/24      # Internal network
eth1:    203.0.113.10/24      # Public network
docker0: 172.17.0.1/16        # Container network

不同接口可以接入完全不同的网络，分别走各自的路由出口，互不干扰。

阶段 2：发包决策（网络层）

路由表结构

路由表的核心字段：目的网段、下一跳 IP、出接口。

# Host A's routing table
192.168.1.0/24 dev eth0                  # Connected route, no via
default via 192.168.1.1 dev eth0         # Non-connected, via gateway

路由表记录的是网段而非具体 IP。当同一个目的 IP 匹配多条路由时，按最长前缀匹配原则选择掩码最长的条目。

路由条目的三种来源

来源触发方式
直连路由接口配置 IP 后内核自动生成（见上一节）
静态路由管理员手动配置，例如 ip route add
动态路由协议路由器之间自动交换可达性信息，如 RIP、OSPF、BGP

动态路由协议的工作机制因协议族而异。以距离向量协议（如 RIP）为例：路由器逐跳传播自己所知道的网段。例如 R1 通告”我能到达 192.168.1.0/24”，R2 接收后将其加入自己的路由表（下一跳记为 R1），R2 再向 R3 通告。链路状态协议（如 OSPF）则通过泛洪链路信息构建完整拓扑图，每个路由器独立计算最短路径。

发包决策流程

  Application wants to send to dst IP X
                  │
                  ▼
         Lookup routing table
                  │
        ┌─────────┴─────────┐
        │                   │
   Connected            Non-connected
   (no via)             (has via)
        │                   │
        ▼                   ▼
   ARP target IP       ARP gateway IP
   Send frame          Send frame to gateway

网络层完成两件事：查路由表确定路径、决定 ARP 的目标。MAC 寻址和帧传输由数据链路层处理。

阶段 3：链路传输（数据链路层）

一跳的本质

网段是物理网络的边界，一跳的本质是跨越这个边界。

路由器的每个接口连着独立的网段，所以路由器天然是跨网段的桥梁。同网段内的主机通过 ARP 直接获取 MAC 通信，跨网段则必须经过路由器逐跳转发。

ARP 只在直连网段内发生

因为 ARP 广播不能跨越网段，所以 ARP 解析在每次进入新网段时独立完成：

  1. 主机命中直连路由：ARP 目的 IP
  2. 主机命中非直连路由：ARP 网关 IP
  3. 路由器收到包：根据下一跳所在接口的网段，ARP 下一跳 IP

完整端到端流程

下面追踪一个跨网段包的传输过程。

Host A (192.168.1.10) sends to Host B (10.0.0.20)

[Host A - Network layer]
  Lookup routing table
  10.0.0.20 does not match 192.168.1.0/24
  → hits "default via 192.168.1.1"
  → non-connected, next hop = gateway

[Host A - Link layer]
  ARP: "Who has 192.168.1.1?" → Router replies MAC-R1
  Frame: [src MAC=A, dst MAC=R1] [src IP=192.168.1.10, dst IP=10.0.0.20]

[Router - Network layer]
  Receive frame, strip header, read dst IP 10.0.0.20
  Lookup routing table: 10.0.0.0/24 dev eth1 (connected)
  → direct send

[Router - Link layer]
  ARP: "Who has 10.0.0.20?" → Host B replies MAC-B
  Frame: [src MAC=R1, dst MAC=B] [src IP=192.168.1.10, dst IP=10.0.0.20]
  IP layer unchanged

[Host B receives]

每一跳的处理步骤

IP 头中的 TTL（Time To Live）字段在每一跳减 1，归零时丢弃该包，以此防止路由环路。以下是路由器转发时的完整步骤：

Router receives a frame:
  1. Parse frame header, verify dst MAC matches own interface
  2. Read destination IP from IP header
  3. Lookup routing table, find next-hop IP and outgoing interface
  4. ARP for next-hop MAC (or hit ARP cache)
  5. Rewrite frame header (src MAC = self, dst MAC = next hop)
  6. Decrement TTL (prevents routing loops)
  7. Forward via outgoing interface

多跳场景下的 ARP 次数

Host A → Router R1 → Router R2 → Router R3 → Host B

ARP resolutions (assuming no cache):
  Host A ARPs R1     (A→R1 subnet)
  R1 ARPs R2         (R1→R2 subnet)
  R2 ARPs R3         (R2→R3 subnet)
  R3 ARPs Host B     (R3→B subnet)

每一跳之间 MAC 地址变化，端到端的 IP 地址保持不变。正如上文「数据封装与解包」一节所述，这一不变量是 IP 协议端到端语义的基础。