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网络模型

网络模型按照不同职责拆分通信过程，帮助协议、设备和应用在明确的层级上协作。

基本问题
  1. 为什么要有网络模型 ── 规范不同设备之间的连接问题
  2. 基本的网络模型 ── OSI 七层模型 与 TCP/IP 四层模型
  3. 不同层级之间如何进行交互
  4. 什么是 四层负载均衡，什么是 七层负载均衡

1. 简述​

1.1. 为什么需要网络模型​

网络需要让不同硬件、操作系统和应用实现互通。分层模型为每一层规定职责与接口，使上层可以使用下层能力，而不必理解传输介质和每一跳设备的实现细节。

1.2. OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型​

当我们提到网络模型时，通常指 OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型。

OSI 模型由**国际标准化组织（ISO）**提出，用七个层级描述开放系统之间的通信。它现在主要用于教学、协议分析和故障定位。

TCP/IP 模型来自互联网协议族的实际实现，通常以四层或五层方式描述。两套模型的层级不能机械地一一对应，但可以借助职责理解协议工作在哪个范围。

2. OSI 七层模型​

2.1. OSI 模型设计原则​

虽然 OSI 七层模型基本没有在实际环境中被使用，但是其合理的划分了网络层次，为网络协议的设计提供了理论指导。作为一个教学工具，能够帮助我们更好的理解数据是如何在网络中传输的。

OSI 模型的分层基本原则包括：

  1. 应该在需要一个不同抽象的地方创建一层
  2. 每一层都应该执行一个明确定义的功能
  3. 层与层边界的选择应该使跨层的信息流量最小
  4. 层数不能太多也不能太少，既要保证不同层级功能解耦，也不能让系统过于庞大

让我们从上到下，逐层分析 OSI 七层模型。

2.2. OSI 模型 ── 自顶向下介绍​

2.2.1. Application - 应用层​

应用层是 OSI 七层模型中的最高层，也是第七层。

这是最接近用户的一层，我们日常使用的网络服务就位于这一层级。最典型的例子就是浏览网页使用的 HTTPS、HTTP 协议，收发邮件使用的 SMTP 协议等等。

2.2.2. Presentation - 表示层​

表示层是 OSI 七层模型中的第六层。也是 OSI 模型中最抽象的一层。

应用层中包含了用户会直接使用到的服务，可以是查看新闻，浏览图片，观看视频等等。但是一切数据的本质都是二进制数据流，在传输过程中，我们传输的也都是 0 与 1 的字节流。那么如何将这些二进制信息映射到用户可以理解的信息，这就是表示层需要做的事情。

表示层 规定了网络传输的数据会以什么形式展示，比如文字、图片等等；一些网络接口使用到的数据结构，也是在表示层进行管理。

2.2.3. Session - 会话层​

会话层负责建立、管理和结束通信双方的对话，并可提供同步点、恢复和对话控制。它描述的是通信会话，不等同于 Web 应用中的登录 Session。

信息

OSI 模型出于职责划分的目的，会单独列出表示层与会话层。

而现代互联网应用中，普遍都是由应用层直接处理用户的登录信息，这也与 TCP/IP 模型的层级划分相符。

2.2.4. Transport - 传输层​

传输层是 OSI 七层模型中的第四层，也是 OSI 七层模型中，最核心的一层。

传输层是 OSI 七层模型的一个分水岭，在传输层之上的层级（应用层，表示层，会话层），更多的关心需要传输哪些用户的数据，更偏向于用户使用的应用。而从传输层开始，更多的关系一件事：数据如何在网络中传输。

传输层中，最核心的协议就是 TCP 与 UDP。我们会在 TCP 与 UDP 传输协议 中详细讨论。

2.2.5. Network - 网络层​

网络层是 OSI 七层模型中的第三层。

如果说传输层规范了数据如何在网络中传输，那么网络层就是解决「数据传输到哪里」的问题。

在网络层中，最重要的就是 IP 协议，用于表示网络设备在互联网中的地址。

2.2.6. Data Link - 数据链路层​

数据链路层是 OSI 七层模型中的第二层。

在知道数据传输的地址（IP 地址）后，我们还需要建立一条到目的地的"通道"。

通常当我们访问网络应用时，不会有一条网线连接我们与目标服务器，而是通过路由器、交换机等设备，将数据传输到目的地。

数据链路层就是负责建立这条"通道"，链接我们与目标服务器之间的所有设备。

既然是建立设备之间的链接路径，那么就会应用到设备的身份标识，也就是 MAC 地址。

2.2.7. Physical - 物理层​

物理层是 OSI 七层模型中的第一层，也是 OSI 模型的最底层。

物理层不用多说，就是真实的网络设备了，包括网线、光纤、无线网络设备等等。

2.3. OSI 模型示意图​

引用 OSI - Wikipedia 中的示意图：

OSI 七层模型示意图

作者 MrsValdry，CC BY-SA 3.0，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16941456

3. TCP/IP 四层模型​

3.1. 真实世界的网络模型​

TCP/IP 模型 在理论基础上不像 OSI 模型那样极其扎实，但是 TCP/IP 模型是根据实际的网络环境设计，也是真正在实际网络环境中被使用的模型。

3.2. TCP/IP 模型​

虽然 TCP/IP 与 OSI 模型的分层不同，但是还是具备很多相似之处，从某种程度来说，TCP/IP 模型算是 OSI 模型的简化版本。

TCP/IP 模型自顶向下分为四层：

  1. Application - 应用层：对应 OSI 模型的应用层、表示层、会话层
  2. Transport - 传输层：对应 OSI 模型的传输层
  3. Internet - 网络层：对应 OSI 模型的网络层
  4. Link - 连接层：也叫网络接口层（Network Interface Layer），对应 OSI 模型的链路层与物理层

3.2.1. 应用层​

应用层是 TCP/IP 模型中的第四层，也是最顶层。是 TCP/IP 模型中，最接近用户的一层。

不像 OSI 模型区分的那么细致，对于大部分现在网络应用来说，应用层涵盖了所有与用户直接交互的功能，包括数据结构定义，以及用户登录信息管理。

3.2.2. 传输层​

传输层是 TCP/IP 模型中的第三层，也是 TCP/IP 模型中，是名字中 TCP 的来源。

这一层同样负责决定用户的数据如何在网络中传输。

同样传输层中包含了 TCP 与 UDP 两个核心协议，我们将在 TCP 与 UDP 传输协议 中详细讨论。

3.2.3. 网络层​

网络层是 TCP/IP 模型中的第二层，也是 TCP/IP 模型中，是名字中 IP 的来源。

与 OSI 模型一样，这一层主要是解决用户数据传输到哪里的问题

网络层中最重要的协议就是 IP 协议，用于表示网络设备在互联网中的地址。

3.2.4. 连接层​

连接层是 TCP/IP 模型中的第一层，也是 TCP/IP 模型中的最底层。

连接层主要用来解决用户的数据如何在真实的物理网络中传输的问题。

3.3. TCP/IP 模型示意图​

参考 TCP/IP 模型示意图 中的示意图：

TCP/IP 四层模型示意图

3.4. 不同层级的交互​

以一个网络请求为例，不论是 OSI 模型还是 TCP/IP 模型，从应用层开始，每向下走一层，下层都协议都会在上层的基础上，增加一些额外的头部信息，供接收方同一层级进行解析。这也是在 TCP/IP 的示意图中，为什么加上了接收方与发送方的层级之间的连线。

这里给一个 TCP/IP 的示意图，帮助理解：

TCP/IP 模型层级交互示意图

作者 en:User:Cburnett original work, colorization by en:User:Kbrose - Original artwork by en:User:Cburnett，CC BY-SA 3.0，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1546338

4. 四层与七层负载均衡​

在日常开发中，我们经常听到两个数据「四层负载均衡」与「七层负载均衡」。

这里的 四层 与 七层 指的是在 OSI 七层模型 中，负载均衡发生的层级：

  1. 四层负载均衡：在 传输层 进行负载均衡，更多考虑的是对传输行为进行负载均衡，比如根据 IP 地址与端口进行负载均衡
  2. 七层负载均衡：在 应用层 进行负载均衡，更多考虑的是根据应用本身的行为进行负载均衡，比如根据 HTTP 请求的头部信息进行负载均衡

二者的核心关键在于，是需要根据什么信息进行负载均衡。

比如对不同地域的用户进行灰度测试的场景，我们就可以使用四层负载均衡，根据用户的地理位置，将用户请求分发到不同的服务器上。

而如果需要对用户的读写请求进行分流，我们就可以使用七层负载均衡，根据 HTTP 请求的头部信息，比如请求的 URL 路径，将读写请求分流到不同的服务器上。

更简单的理解，如果是对 URL 中的信息进行负载均衡，那么就是七层负载均衡；如果是对请求的来源进行负载均衡，那么就是四层负载均衡。

实际情况，HTTP 请求头的信息都可以用作七层负载，这里只是举一个最简单的例子，方便理解

5. 复习要点​

网络模型通常会与协议、负载均衡或故障排查一起考察。复习时应能把一个真实请求映射到各层，而不是只背层级名称。

在本章中，建议重点掌握以下内容：

  1. OSI 七层模型 与 TCP/IP 四层模型 有哪些层级，分层的依据是什么？
  2. 不同层级之间如何交互的？
  3. 什么是 四层负载均衡，什么是 七层负载均衡？

5.1. OSI 七层模型 与 TCP/IP 四层模型 有哪些层级？​

详见文中对与 OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型的详细介绍。

5.2. 不同层级之间如何交互的？​

每一层都会执行一个明确的功能。

下一层会在上一层的基础上，增加额外的头部信息，用来存储当前层级需要传输的数据。

接收方的同一层级会处理当前层级增加的头部信息。

5.3. 什么是 四层负载均衡，什么是 七层负载均衡？​

四层与七层负载均衡算是网络模型的扩展内容，在实际的工作中，经常会遇到这两个内容。

四层与七层负载均衡的核心区别，是针对于传输方式进行负载均衡，还是针对于传输的内容，也就是应用本身的行为进行负载均衡。

6. 面试题​

6.1 OSI 与 TCP/IP 模型如何对应，四层和七层负载均衡怎样区分​

出现公司：字节跳动、美团

考察重点

  • 两种分层模型的职责与近似映射。
  • 封装、解封装和同层协议字段。
  • 四层与七层负载均衡可读取的信息和适用场景。

相关内容：第 2 节“OSI 七层模型”至第 4 节“四层与七层负载均衡”。

参考回答

OSI 把通信划分为物理、数据链路、网络、传输、会话、表示和应用七层。TCP/IP 常用链路、网络、传输和应用四层描述，其中应用层覆盖 OSI 的应用、表示和会话职责，其他层只能做近似映射。发送时数据逐层封装，接收时逐层解析；每层主要处理本层协议字段并把负载交给上层。

四层负载均衡依据 IP、端口和传输层连接信息转发，不需要理解 HTTP；七层负载均衡终止或解析应用层协议，可以按 Host、路径、Header 等规则路由。四层路径通常更通用、处理开销较低，七层能够做内容路由、鉴权和协议级观测，代价是需要理解并处理具体协议。

参考资料
  1. RFC 1122：Requirements for Internet Hosts
  2. ISO/IEC 7498-1：OSI Basic Reference Model