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learn.lianglianglee.com/专栏/透视HTTP协议/05 常说的“四层”和“七层”到底是什么？“五层”“六层”哪去了？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>05 常说的“四层”和“七层”到底是什么？“五层”“六层”哪去了？</h1>
<p>在上一讲中，我简单提到了 TCP/IP 协议，它是 HTTP 协议的下层协议，负责具体的数据传输工作。并且还特别说了，TCP/IP 协议是一个“<strong>有层次的协议栈</strong>”。</p>
<p>在工作中你一定经常听别人谈起什么“四层负载均衡”“七层负载均衡”，什么“二层转发”“三层路由”，那么你真正理解这些层次的含义吗？</p>
<p>网络分层的知识教科书上都有，但很多都是“泛泛而谈”，只有“学术价值”，于是就容易和实际应用“脱节”，造成的后果就是“似懂非懂”，真正用的时候往往会“一头雾水”。</p>
<p>所以，今天我就从 HTTP 应用的角度，帮你把这些模糊的概念弄清楚。</p>
<h2>TCP/IP 网络分层模型</h2>
<p>还是先从 TCP/IP 协议开始讲起，一是因为它非常经典，二是因为它是目前事实上的网络通信标准，研究它的实用价值最大。</p>
<p>TCP/IP 当初的设计者真的是非常聪明，创造性地提出了“<strong>分层</strong>”的概念，把复杂的网络通信划分出多个层次，再给每一个层次分配不同的职责，层次内只专心做自己的事情就好，用“分而治之”的思想把一个“大麻烦”拆分成了数个“小麻烦”，从而解决了网络通信的难题。</p>
<p>你应该对 TCP/IP 的协议栈有所了解吧，这里我再贴一下层次图。</p>
<p><img src="assets/2b8fee82b58cc8da88c74a33f2146703.png" alt="img" /></p>
<p>TCP/IP 协议总共有四层，就像搭积木一样，每一层需要下层的支撑，同时又支撑着上层，任何一层被抽掉都可能会导致整个协议栈坍塌。</p>
<p>我们来仔细地看一下这个精巧的积木架构，注意它的层次顺序是“<strong>从下往上</strong>”数的，所以第一层就是最下面的一层。</p>
<p>第一层叫“<strong>链接层</strong>”（link layer），负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标记网络上的设备，所以有时候也叫 MAC 层。</p>
<p>第二层叫“<strong>网际层</strong>”或者“<strong>网络互连层</strong>”（internet layer），IP 协议就处在这一层。因为 IP 协议定义了“IP 地址”的概念，所以就可以在“链接层”的基础上，用 IP 地址取代 MAC 地址，把许许多多的局域网、广域网连接成一个虚拟的巨大网络，在这个网络里找设备时只要把 IP 地址再“翻译”成 MAC 地址就可以了。</p>
<p>第三层叫“<strong>传输层</strong>”（transport layer），这个层次协议的职责是保证数据在 IP 地址标记的两点之间“可靠”地传输，是 TCP 协议工作的层次，另外还有它的一个“小伙伴”UDP。</p>
<p>TCP 是一个有状态的协议，需要先与对方建立连接然后才能发送数据，而且保证数据不丢失不重复。而 UDP 则比较简单，它无状态，不用事先建立连接就可以任意发送数据，但不保证数据一定会发到对方。两个协议的另一个重要区别在于数据的形式。TCP 的数据是连续的“字节流”，有先后顺序，而 UDP 则是分散的小数据包，是顺序发，乱序收。</p>
<p>关于 TCP 和 UDP 可以展开讨论的话题还有很多，比如最经典的“三次握手”和“四次挥手”，一时半会很难说完，好在与 HTTP 的关系不是太大，以后遇到了再详细讲解。</p>
<p>协议栈的第四层叫“<strong>应用层</strong>”（application layer），由于下面的三层把基础打得非常好，所以在这一层就“百花齐放”了，有各种面向具体应用的协议。例如 Telnet、SSH、FTP、SMTP 等等，当然还有我们的 HTTP。</p>
<p>MAC 层的传输单位是帧（frame），IP 层的传输单位是包（packet），TCP 层的传输单位是段（segment），HTTP 的传输单位则是消息或报文（message）。但这些名词并没有什么本质的区分，可以统称为数据包。</p>
<h2>OSI 网络分层模型</h2>
<p>看完 TCP/IP 协议栈，你可能要问了，“它只有四层，那常说的七层怎么没见到呢？”</p>
<p>别着急，这就是今天要说的第二个网络分层模型：<strong>OSI</strong>，全称是“<strong>开放式系统互联通信参考模型</strong>”（Open System Interconnection Reference Model）。</p>
<p>TCP/IP 发明于 1970 年代，当时除了它还有很多其他的网络协议，整个网络世界比较混乱。</p>
<p>这个时候国际标准组织（ISO）注意到了这种现象，感觉“野路子”太多，就想要来个“大一统”。于是设计出了一个新的网络分层模型，想用这个新框架来统一既存的各种网络协议。</p>
<p>OSI 模型分成了七层，部分层次与 TCP/IP 很像，从下到上分别是：</p>
<p><img src="assets/3abcf1462621ff86758a8d9571c07cdc.png" alt="img" /></p>
<ol>
<li>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；</li>
<li>第二层：数据链路层，它基本相当于 TCP/IP 的链接层；</li>
<li>第三层：网络层，相当于 TCP/IP 里的网际层；</li>
<li>第四层：传输层，相当于 TCP/IP 里的传输层；</li>
<li>第五层：会话层，维护网络中的连接状态，即保持会话和同步；</li>
<li>第六层：表示层，把数据转换为合适、可理解的语法和语义；</li>
<li>第七层：应用层，面向具体的应用传输数据。</li>
</ol>
<p>至此，我们常说的“四层”“七层”就出现了。</p>
<p>不过国际标准组织心里也很清楚，TCP/IP 等协议已经在许多网络上实际运行，再推翻重来是不可能的。所以，OSI 分层模型在发布的时候就明确地表明是一个“参考”，不是强制标准，意思就是说，“你们以后该干什么还干什么，我不管，但面子上还是要按照我说的来”。</p>
<p>但 OSI 模型也是有优点的。对比一下就可以看出，TCP/IP 是一个纯软件的栈，没有网络应有的最根基的电缆、网卡等物理设备的位置。而 OSI 则补足了这个缺失，在理论层面上描述网络更加完整。</p>
<p>还有一个重要的形式上的优点：OSI 为每一层标记了明确了编号，最底层是一层，最上层是七层，而 TCP/IP 的层次从来只有名字而没有编号。显然，在交流的时候说“七层”要比“应用层”更简单快捷，特别是英文，对比一下“Layer seven”与“application layer”。</p>
<p>综合以上几点，在 OSI 模型之后，“四层”“七层”这样的说法就逐渐流行开了。不过在实际工作中你一定要注意，这种说法只是“理论上”的层次，并不是与现实完全对应。</p>
<h2>两个分层模型的映射关系</h2>
<p>现在我们有了两个网络分层模型：TCP/IP 和 OSI，新的问题又出现了，一个是四层模型，一个是七层模型，这两者应该如何互相映射或者说互相解释呢？</p>
<p>好在 OSI 在设计之初就参考了 TCP/IP 等多个协议，可以比较容易但不是很精确地实现对应关系。</p>
<p><img src="assets/9d9b3c9274465c94e223676b6d434194.png" alt="img" /></p>
<ol>
<li>第一层：物理层，TCP/IP 里无对应；</li>
<li>第二层：数据链路层，对应 TCP/IP 的链接层；</li>
<li>第三层：网络层，对应 TCP/IP 的网际层；</li>
<li>第四层：传输层，对应 TCP/IP 的传输层；</li>
<li>第五、六、七层：统一对应到 TCP/IP 的应用层。</li>
</ol>
<p>所以你看，这就是“理想与现实”之间的矛盾。理想很美好，有七层，但现实很残酷，只有四层，“多余”的五层、六层就这样“消失”了。</p>
<p>但这也有一定的实际原因。</p>
<p>OSI 的分层模型在四层以上分的太细，而 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的很紧密，很难分开。例如，HTTP 协议就同时包含了连接管理和数据格式定义。</p>
<p>到这里，你应该能够明白一开始那些“某某层”的概念了。</p>
<p>所谓的“四层负载均衡”就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。</p>
<p>所谓的“七层负载均衡”就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。</p>
<h2>TCP/IP 协议栈的工作方式</h2>
<p>TCP/IP 协议栈是如何工作的呢？</p>
<p>你可以把 HTTP 利用 TCP/IP 协议栈传输数据想象成一个发快递的过程。</p>
<p>假设你想把一件毛绒玩具送给朋友，但你要先拿个塑料袋套一下，这件玩具就相当于 HTTP 协议里要传输的内容，比如 HTML，然后 HTTP 协议为它加一个 HTTP 专用附加数据。</p>
<p>你把玩具交给快递小哥，为了保护货物，他又加了层包装再贴了个标签，相当于在 TCP 层给数据再次打包，加上了 TCP 头。</p>
<p>接着快递小哥下楼，把包裹放进了三轮车里，运到集散点，然后再装进更大的卡车里，相当于在 IP 层、MAC 层对 TCP 数据包加上了 IP 头、MAC 头。</p>
<p>之后经过漫长的运输，包裹到达目的地，要卸货再放进另一位快递员的三轮车，就是在 IP 层、MAC 层传输后拆包。</p>
<p>快递员到了你朋友的家门口，撕掉标签，去除了 TCP 层的头，你朋友再拆掉塑料袋包装，也就是 HTTP 头，最后就拿到了玩具，也就是真正的 HTML 页面。</p>
<p>这个比喻里省略了很多 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，但核心的数据传输过程是差不多的。</p>
<p>HTTP 协议的传输过程就是这样通过协议栈逐层向下，每一层都添加本层的专有数据，层层打包，然后通过下层发送出去。</p>
<p>接收数据是则是相反的操作，从下往上穿过协议栈，逐层拆包，每层去掉本层的专有头，上层就会拿到自己的数据。</p>
<p>但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，所以就 HTTP 层次来看，它不管下层是不是 TCP/IP 协议，看到的只是一个可靠的传输链路，只要把数据加上自己的头，对方就能原样收到。</p>
<p>我为这个过程画了一张图，你可以对照着加深理解。</p>
<p><img src="assets/70bc19acacf2245fa841349f15cb7a6f.png" alt="img" /></p>
<h2>小结</h2>
<p>这次我们学习了 HTTP 所在的网络分层模型，它是工作中常用的交流语言，在这里简单小结一下今天的内容。</p>
<ol>
<li>TCP/IP 分为四层，核心是二层的 IP 和三层的 TCP，HTTP 在第四层；</li>
<li>OSI 分为七层，基本对应 TCP/IP，TCP 在第四层，HTTP 在第七层；</li>
<li>OSI 可以映射到 TCP/IP，但这期间一、五、六层消失了；</li>
<li>日常交流的时候我们通常使用 OSI 模型，用四层、七层等术语；</li>
<li>HTTP 利用 TCP/IP 协议栈逐层打包再拆包，实现了数据传输，但下面的细节并不可见。</li>
</ol>
<p>有一个辨别四层和七层比较好的（但不是绝对的）小窍门，“<strong>两个凡是</strong>”：凡是由操作系统负责处理的就是四层或四层以下，否则，凡是需要由应用程序（也就是你自己写代码）负责处理的就是七层。</p>
<h2>课下作业</h2>
<ol>
<li>你能用自己的话解释一下“二层转发”“三层路由”吗？</li>
<li>你认为上一讲中的 DNS 协议位于哪一层呢？</li>
<li>你认为 CDN 工作在那一层呢？</li>
</ol>
<p>欢迎你把自己的答案写在留言区，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。</p>
<p><img src="assets/3010b80124bca2f3a91a726713e9ac92.png" alt="unpreview" /></p>
</div>
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