🗒️网络分层模型

四层、七层

1. TCP/IP 网络分层模型

TCP/IP 协议是目前事实上的网络通信标准，非常经典，研究它的实用价值很大。

TCP/IP 协议栈如下：

层	说明	数据包的传输单位
应用层	HTTP, Telnet, SSH, FTP, SMTP 等	message，消息或报文
传输层	保证数据在两个 IP 地址间传输 最经典的三次握手和四次挥手	segment，段
IP 层	用 IP 地址取代 MAC 地址 把许多局域网、广域网连接成一个虚拟的巨大网络	packet，包
MAC 层	工作在网卡层 使用 MAC 地址来标记网络上的设备	frame，帧

1. 在应用层，提供 scheme 和 port

   • 比如：底层的 TCP 通常是通过 network socket interface 向 application 提供 network connection 的抽象，而 TCP 会在 transport layer 处理所有 handshaking 和 transmission 细节

2. 在传输层，通过 port 进行寻址，识别同一计算机中同时通信的不同应用程序

   • TCP，Transmission Control Protocol，传输控制协议。有状态，面向连接

     • socket address [transport protocol, IP address, port number]

   • UDP，User Datagram Protocol，用户数据报协议。无状态，不用事先建立连接

     • 数据是分散的小数据包，顺序发、乱序收

3. 在 IP 层（网际层），通过 IP 地址来寻找网络中互连的主机或路由器

   • IP，Internet Protocol，网际协议

   • IP packet 可能会 lost、duplicated 或乱序，由于以下原因：

     • network congestion（网络拥塞）

     • traffic load balancing（流量负载平衡）

     • 其它不可预测的网络行为。

4. 在 MAC 层（链路层），通过 MAC 地址来寻找局域网中的主机

   • MAC 地址，Media Access Control Address，也称局域网地址

   • 它可以唯一地标识一个网卡，进而同时标识了此网卡所属的设备

真正进行端到端通信的实体是主机中的两个进程，即一个主机中的进程 A 与另一个主机中的进程 B 在交换数据。IP 协议负责把数据报文送到目的主机，传输层的协议负责交给主机中的具体应用进程。

2. OSI 网络分层模型

OSI，Open System Interconnection Reference Model，开放式系统互联通信参考模型。

OSI 分层模型在发布时就明确表明这是一个参考，而不是强制标准。

编号	层	说明
第一层	物理层	网络的物理形式, 例如电缆, 光纤, 网卡, 集线器等等
第二层	数据链路层	基本相当于 TCP/IP 的 Mac 层
第三层	网络层	相当于 TCP/IP 里的 IP 层
第四层	传输层	相当于 TCP/IP 里的传输层
第五层	会话层	维护网络中的连接状态, 即保持会话和同步
第六层	表示层	把数据转换为合适的可理解的语法和语义
第七层	应用层	面向具体的应用传输数据

增加了物理层，细化了应用层。

OSI 补足了电缆网卡等物理设备的位置，让网络通信在理论层面更完整，而 TCP/IP 是个纯软件的栈。

OSI 为每层标记了明确了编号，从一层到七层，方便日常交流。比如：

• 七层负载均衡，是指工作在应用层上，看到的是 HTTP 协议，解析 HTTP 报文里的 URI、主机名、资源类型等数据，再用适当的策略转发给后端服务器

• 四层负载均衡，是指工作在传输层上，基于 TCP/IP 协议的特性，例如 IP 地址、端口号等实现对后端服务器的负载均衡

• 三层路由，是指设备工作网络层，当数据包经过有路由功能的设备时，设备会分析头部信息，拿到 IP 地址，根据网段范围进行本地转发或选择下一个网关

• 二层转发，是指设备工作在链路层，当数据包在经过交换机设备时，设备会检查头部信息，拿到目标 MAC 地址和端口，进行本地转发和广播，进而决定往哪里转发

3. 映射关系

OSI 在四层以上分得太细了，因为 TCP/IP 实际应用时的会话管理、编码转换、压缩等和具体应用经常联系得很紧密，很难分开。比如 HTTP 协议就同时包含了连接管理和数据格式定义。

4. TCP/IP 协议栈的工作方式

TCP/IP 协议栈核心的数据传输过程大约如下：

先忽略很多 TCP/IP 协议里的细节，比如建连、路由、数据切分与重组、错误检查等

HTTP 利用 TCP/IP 协议栈逐层打包再拆包，实现了数据的传输，但下面的细节并不可见。下层的传输过程对于上层是完全透明的，上层也不需要关心下层的具体实现细节，每层只要在数据里加上自己的专有头，对方就能原样收到。

4.1 TCP

TCP，Transmission Control Protocol，传输控制协议。

• TCP 提供 reliable、ordered、error-checked 的八位字节流传输

• TCP 是 connection-oriented，在发送 data 前 client 和 server 间的 connection 需建立好

• 确保 reliability（可靠性）的手段：（有状态，但增加了 latency 延迟）

  • three-way handshake：三次握手

  • ACK + retransmission：确认 + 重传

  • error detection：错误检测

关于 TCP 的三次握手、四次挥手，以及与之相关的 TCP 状态和 TCP 报文段首部，详见输入 URL 并按下回车之后的数据传输全过程。

4.2 IP

IP，Internet Protocol，网际协议。

IP packets 可能会 lost、duplicated 或乱序，由于 network congestion（网络拥塞）、traffic load balancing（流量负载平衡）、不可预测的网络行为。

3. 主要参考

• https://time.geekbang.org/column/article/99286