计算机系统014 - 协议层级

对于开发人员而言，从复杂的问题中找寻规律是基本的能力，亦如抽象。若是单一抽象仍不能较好诠释问题，那还能够从分层的角度来定义问题。分层能使咱们暂时从最旁枝末节的点抽身出来，拥有更高的视野，视其全貌。网络环境复杂度不言而喻，因此分层也就成了公认选择。

1. 协议层级

上图中两种分层方式，左边的五层结构能够当作是实践派的作法，右边的七层结构能够堪称是学术派的研究。不谈优劣，只谈适应不适应。目前主流使用的是五层结构，由于它更加适应于具体开发过程。毕竟分层是为了解耦，解耦必然带来性能下降及复杂度增长，因此取个权衡值才是最实在的。

那么对左边封层方式，逐层简要介绍以下：

1.1 Application 应用层

顾名思义，主要由应用、以及应用之间通讯协议构成。典型应用有浏览器、邮件、文件服务等，与之对应的则分别是HTTP、SMTP、FTP等协议。该层主要有以下两个要素：

• 访问形式： 域名，如 www.baidu.com
• 信息单元： message，或称为消息

1.1.1 Domain name system(DNS)

前文中提到过，每一个可联网设备在网络中真正惟一的标识符是其网卡上的MAC地址，其余的只是为了便于访问而存在的高可读性字段。相似于中国公民，其身份证号码在国境内是惟一的，但数字可读性差，因此还须要创建起姓名等映射关系便于访问。一样的，域名至关于真正要访问MAC地址的高可读性映射，只是绑定关系让其变得有意义。而创建这种绑定关系的，就是域名系统DNS。

DNS中域名对应的直接映射并不是MAC地址，而是一串称为IP地址的数字。

IP Address

茫茫人海，只知道身份证号码和姓名来找一我的是十分低效甚至没法达成的，这时候，逐层的具体地址就派上了大用场。一样的，为了更便捷有效地管理网络上各式各样数量巨大的联网设备，IP协议按相似省市县的分层形式制订了子网系统。

以IPv4(Version 4)为例，每一个IP地址共32位，除去不一样类型起始码，其他主要由网络号和主机号构成，对应“A省B市”的结构：

1.1.2 Port端口

一般应用是以进程的形式存在，单个主机上会有多个进程同时运行。IP地址虽然标示了当前主机号，但还不能标示到具体进程。所以不一样主机上的进程如需通信，还必须经过额外字段标明进程，这个字段就是Port端口。

Port是一个16位数字，一般和IP地址同时使用。随着互联网的发展，部分Port(0~1024)已被某些知名服务占用，如80/8080等。经过测试某些端口是否有响应，便可测试对应服务是否存在。

1.2 Transport 传输层

传输层负责在应用间传递message，即服务于应用层。与应用层两要素相比，不一样之处在于:

• 访问形式：端口，8080
• 信息单元：segment

既然是在应用间传递信息，就必然要标明应用自己。而在一个host上，port是绑定到进程的，所以只须要经过port口进行标注便可。主流传输协议有TCP和UDP两种，具体将在单独章节介绍。

1.3 Network 网络层

网络层负责在主机间移动segment，即服务于传输层。与传输层两要素相比，不一样之处在于：

• 访问形式：IP地址，如 192.168.128.10
• 信息单元：datagram

由于是在主机间传递信息，那么天然标识符也只须要精确到IP自己便可。从硬件上讲，一个主机一般一至多个网卡，各自有不一样IP地址，但均和主机自己绑定。网络层送出的信息中指明对端IP，传入的信息中也可拆分出具体Port，随后传送到具体应用解析便可。

1.4 Link 链路层

前文提到，主机间的链路可能须要多个结点（如Switch、Router甚至ISP）的参与，要想把一条datagram成功送达对端主机，也绝非易事，所以专门分出一个链路层来完成链路的造成、维护、断开等工做。链路层服务于网络层，要素区别在于：

• 访问形式：IP地址，如192.168.128.10
• 信息单元：frame

注意到这里的信息单元并不是datagram，也就是说，链路层的信息与datagram除去header，其实还有可能内容自己也不相同。由于链路由不一样有形无形的硬件链路构成，每一段链路的传输率、最大传输单元MTU等也各自不一样，全部大于链路最大传输单元的datagram要想顺利传输，就必须切分红合适的frame，传输完成后，再从新组装。

有人可能会问，一直说MAC地址是惟一标识，怎么到了链路层还没用上，别急，这就来了。

1.4.1 MAC Address

MAC地址是由网卡生产商生产时固化进网卡的，为保证其惟一性，MAC地址中有一段是不一样生产商申请到的代号。

上一篇中提到一个设备，叫作Switch交换机，也叫网桥，是MAC地址的集成器。要记住，IP地址是人为地为设备分配一个标识符，以便区隔管理，典型的如DHCP动态内存分配就印证了这个道理。所以网络中必定存在一张IP地址和MAC地址的映射表，从而使得信息可以真正抵达对应的网卡。而一般，这个任务就交给了交换机。

1.5 Physical 物理层

物理层是最基础的一层，它的职责只须要负责无缺地传输每个bit便可。有了链路层精肯定位到的两个MAC主机，剩下的就交给硬件材料、协议等来完成了。如前所述，不会过多关注到底层的硬件细枝，所以若有兴趣，可自行拓展阅读。

2. packet封装

前半部分对网络中各个职能划分了层级，为了更加形象地展开剩下的packet封装内容，要先讲个快递的通用流程。

快递相信大部分人都收过，贡献我本身的一张，并大体分层以下：

• 应用层

  卖家将货物装箱，贴上快递单，上写发货人、收货人地址等联系方式。

  对应的Message一样封装好内容后，即送出。

• 传输层

  分公司收到封装好的包裹，按照地址，查询下一站，并送出至相应分拨中心。

  对应的Segment中包含源和目的IP:Port，及其余如称重等辅助校验信息。

• 网络层

  分拨中心则负责决策将货物送往另外一分拨中心，这一层偏向寻找递送的最优途径。

  网络层对应的一样是为了给datagram找寻到送达的最优途径，最优一般意味着最快，但不意味着所通过的路径自己最短。

• 链路层

  肯定具体对接分拨中心后，将进一步肯定使用何种交通工具送达，并重组货物结构（如集装箱化）以便于运输。

  在网络层中肯定路径后，链路层将负责重组收到的全部datagram，以便适应不一样链路的最大传输单元大小。

• 物理层

  肯定交通工具后，交给货运负责人员便可。

3. 小结

归根结底，各层协议的定义只是为了更好地完成层级化后的本职工做，生活中也同样，能真正地干好本身的本职工做，其实自己就是对别人最大的尊重。固然也必须清晰地意识到，每一次层级的增多，再带来更大兼容性的同时，每每意味着更大的沟通成本，如应用层对端可能只但愿传输一个字符，实际上却须要传输一堆额外的各层头信息。