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  • 互联网的分层次结构

    千次阅读 2020-12-12 09:36:35
    互联网的分层次结构 生活中几个常用的网络概念 速率 比特(bit)是通信中信息量的单位,一个比特就是二进制数字中的一个1或0.网络中的速率也就是数据的传送速率,是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据...

    互联网的分层次结构

    生活中几个常用的网络概念

    速率

    比特(bit)是通信中信息量的单位,一个比特就是二进制数字中的一个1或0.网络中的速率也就是数据的传送速率,是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,也称数据率或比特率,单位为b/s(比特/秒,有时也写作bps).数据率较高时,可用kb/s(k=103)。Mb/s(M=106)或Gb/s(G=10^9)表示。在计算机网络中,通常把最高数据率称为带宽。

    带宽

    “带宽”(bandwidth)有以下两种不同的意义:

    1. 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。这种意义的带宽的单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等。)
    2. 在计算机网络中,带宽用来表示网络中某信道传送数据的能力,因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率。”这种意义的带宽的单位就是数据率党的单位:bit/s,即比特每秒。

    时延

    时延(delay或latency)是指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延又可以分为以下四种:

    1.发送时延。
    发送时延(transmission delay)是主机或路由器发送数据帧所需要的时间。
    2. 传播时延。
    传播时延(propagation delay)是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延发生在机器外部的传输媒体上,信号传送的距离越远,传播时延越大。
    3. 处理时延。
    处理时延是主机或路由器在收到分组对分组进行去头去尾,差错检错,所花费的时间。
    4.排队时延。
    分组在进入路由器要等待路由器确认了转发接口后,在输出队列中排队等待转发。排队时延的长短取决于网络当时的通信量。

    计算机网络体系结构

    两个系统中实体间的通信是一个很复杂的过程,为了降低协议设计和调试过程的复杂性,也为了便于对网络进行研究、实现和维护,促进标准化工作,通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。分层的目的是将庞大而复杂的问题转化为易于研究和处理的局部问题。

    计算机网络协议、服务的概念

    在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据,就必须遵守一些事先约好的规则。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为**网络协议(network Protocol)。**网络协议由语法、语义和同步三部分组成。语法规定了传输数据的格式;语义规定了所要完成的功能,即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答;同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等。

    在协议的控制下,两个对等实体间的通信是的本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的的服务。

    协议是水平的,但服务是垂直的。服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用,它是垂直的。对等实体在协议的控制下,使得本层能为上一层提供服务,但要实现本层协议还要使用下一层所提供的的服务。计算机网络提供以下三种方式的服务:

    面向连接服务于无连接服务
    在面向连接服务中,通信双方先建立连接,分配资源,再进行数据传输,数据传输完成后释放连接和所占用的资源。TCP就是一种面向连接服务的协议。
    在无连接服务中,通信双方不需要事先建立连接也不要释放连接,需要发送数据时直接发送。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(Best-Effort-Delivery),它是一种不可靠的服务。IP、UDP、就是无连接服务。

    可靠服务和不可靠服务
    可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制,能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
    不可靠服务是指网络只是尽量正确、可靠地传送,而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地,是一种尽力而为的服务。

    有应答服务和无应答服务
    有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答。文件传输服务就是一种有应答服务。
    无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。例如,对于www服务,客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答。

    OSI参考模型和TCP/IP模型

    OSI参考模型。国际标准化组织ISO与1997年提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model),简称OSI。
    在这里插入图片描述

    OSI参考模型

    OSI有七层,自下而上依次为物理层、数据链层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。下三层统称为通信子网,负责联网完成数据传输功能。上三层统称为资源子网,它相当于计算机系统,完成数据处理功能。最中间的传输层承上启下。

    TCP/IP模型。

    ARPA在研究ARPAnet时提出了TCP/IP模型,模型从低到高依次为网络接口层、网际层、传输层和应用层。由于基于TCP/IP的互联网抢先在全球大范围成功运行,所以得到最广泛应用的并不是法律上的国际标准OSI,而TCP/IP模型也被称为事实上的国际标准。在这里插入图片描述

    在学习计算机网络时,我们往往采用折中的方法,采用一种五层模型结构,即我们所熟知的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

    (1) 应用层(application layer)
    应用层是体系结构中的最高层。应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议。在互联网中的应用层协议很多,如域名系统DNS,支持万维网应用的HTTP协议,支持电子邮件的SMTP协议,等等。应用层交互的数据单元称为报文(message)。
    (2) 运输层(transport layer)
    运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务>应用进程利用该服务传送应用层报文。
    运输层主要使用以下两种协议:
    传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol)——提供面向连接的、可靠的数
    据传输服务,其数据传输的单位是报文段(segment)。
    用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)——提供无连接的、尽最大努力(best-effort)的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性),其数据传输的单位是用户数据报。
    (3)网络层(network layer)
    网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时,网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中,由于网络层使用IP协议,因此分组也叫IP数据报,或前称为数据报。
    无论在哪一层传送的数据单元,都可笼统地用“分组”来表示。
    网络层的另一个往务最是要选择合适的路由,使源主机运输层所传下来的分组,能物通过网络中的路由器找到目的主机。
    (4) 数据链路层(data link layer)
    数据链路层常简称为链路层,在两个相邻结点之间传送数据时,数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(framing),在两个相邻结点间的链路上传送帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。
    在接收数据时,控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样,数据链路层在收到一个帧后,就可从中提取出数据部分,上交给网络层。
    控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。
    (5)物理层(physical layer)
    在物理层上所传数据的单位是比特。因此物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”,以及接收方如何别出发送方所发送的比特。当然,解释比特代表的意思,就不是物理层的任务。请注意,传输介质,如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等,并不属于物理层而是在理层协议的下面。因此也有人把物理层下面的物理媒体当作第0层。

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  • 我们每天使用互联网,你是否想过,它是如何实现的? 全世界几十亿台电脑,连接在一起,两两通信。上海的某一块网卡送出信号,洛杉矶的另一块网卡居然就收到了,两者实际上根本不知道对方的物理位置,你不觉得这是...

    我们每天使用互联网,你是否想过,它是如何实现的?

    全世界几十亿台电脑,连接在一起,两两通信。上海的某一块网卡送出信号,洛杉矶的另一块网卡居然就收到了,两者实际上根本不知道对方的物理位置,你不觉得这是很神奇的事情吗?

    互联网的核心是一系列协议,总称为”互联网协议”(Internet Protocol Suite)。它们对电脑如何连接和组网,做出了详尽的规定。理解了这些协议,就理解了互联网的原理。

    下面就是我的学习笔记。因为这些协议实在太复杂、太庞大,我想整理一个简洁的框架,帮助自己从总体上把握它们。为了保证简单易懂,我做了大量的简化,有些地方并不全面和精确,但是应该能够说清楚互联网的原理。

    =================================================

    互联网协议入门

    作者:阮一峰

    互联网协议入门(一) - 第1张  | 快课网

    一、概述

    1.1 五层模型

    互联网的实现,分成好几层。每一层都有自己的功能,就像建筑物一样,每一层都靠下一层支持。

    用户接触到的,只是最上面的一层,根本没有感觉到下面的层。要理解互联网,必须从最下层开始,自下而上理解每一层的功能。

    如何分层有不同的模型,有的模型分七层,有的分四层。我觉得,把互联网分成五层,比较容易解释。

    互联网协议入门(一) - 第2张  | 快课网

    如上图所示,最底下的一层叫做”实体层”(Physical Layer),最上面的一层叫做”应用层”(Application Layer),中间的三层(自下而上)分别是”链接层”(Link Layer)、”网络层”(Network Layer)和”传输层”(Transport Layer)。越下面的层,越靠近硬件;越上面的层,越靠近用户。

    它们叫什么名字,其实并不重要。只需要知道,互联网分成若干层就可以了。

    1.2 层与协议

    每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能,就需要大家都遵守共同的规则。

    大家都遵守的规则,就叫做”协议”(protocol)。

    互联网的每一层,都定义了很多协议。这些协议的总称,就叫做”互联网协议”(Internet Protocol Suite)。它们是互联网的核心,下面介绍每一层的功能,主要就是介绍每一层的主要协议。

    二、实体层

    我们从最底下的一层开始。

    电脑要组网,第一件事要干什么?当然是先把电脑连起来,可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

    互联网协议入门(一) - 第3张  | 快课网

    这就叫做”实体层”,它就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性,作用是负责传送0和1的电信号。

    三、链接层

    3.1 定义

    单纯的0和1没有任何意义,必须规定解读方式:多少个电信号算一组?每个信号位有何意义?

    这就是”链接层”的功能,它在”实体层”的上方,确定了0和1的分组方式。

    3.2 以太网协议

    早期的时候,每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地,一种叫做“以太网”(Ethernet)的协议,占据了主导地位。

    以太网规定,一组电信号构成一个数据包,叫做”帧”(Frame)。每一帧分成两个部分:标头(Head)和数据(Data)。

    互联网协议入门(一) - 第4张  | 快课网

    “标头”包含数据包的一些说明项,比如发送者、接受者、数据类型等等;”数据”则是数据包的具体内容。

    “标头”的长度,固定为18字节。”数据”的长度,最短为46字节,最长为1500字节。因此,整个”帧”最短为64字节,最长为1518字节。如果数据很长,就必须分割成多个帧进行发送。

    3.3 MAC地址

    上面提到,以太网数据包的”标头”,包含了发送者和接受者的信息。那么,发送者和接受者是如何标识呢?

    以太网规定,连入网络的所有设备,都必须具有”网卡”接口。数据包必须是从一块网卡,传送到另一块网卡。网卡的地址,就是数据包的发送地址和接收地址,这叫做MAC地址。

    互联网协议入门(一) - 第5张  | 快课网

    每块网卡出厂的时候,都有一个全世界独一无二的MAC地址,长度是48个二进制位,通常用12个十六进制数表示。

    互联网协议入门(一) - 第6张  | 快课网

    前6个十六进制数是厂商编号,后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址,就可以定位网卡和数据包的路径了。

    3.4 广播

    定义地址只是第一步,后面还有更多的步骤。

    首先,一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址?

    回答是有一种ARP协议,可以解决这个问题。这个留到后面介绍,这里只需要知道,以太网数据包必须知道接收方的MAC地址,然后才能发送。

    其次,就算有了MAC地址,系统怎样才能把数据包准确送到接收方?

    回答是以太网采用了一种很”原始”的方式,它不是把数据包准确送到接收方,而是向本网络内所有计算机发送,让每台计算机自己判断,是否为接收方。

    互联网协议入门(一) - 第7张  | 快课网

    上图中,1号计算机向2号计算机发送一个数据包,同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的”标头”,找到接收方的MAC地址,然后与自身的MAC地址相比较,如果两者相同,就接受这个包,做进一步处理,否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做”广播”(broadcasting)。

    有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式,”链接层”就可以在多台计算机之间传送数据了。

    四、网络层

    4.1 网络层的由来

    以太网协议,依靠MAC地址发送数据。理论上,单单依靠MAC地址,上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了,技术上是可以实现的。

    但是,这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包,所有成员人手一”包”,不仅效率低,而且局限在发送者所在的子网络。也就是说,如果两台计算机不在同一个子网络,广播是传不过去的。这种设计是合理的,否则互联网上每一台计算机都会收到所有包,那会引起灾难。

    互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络,很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络,这几乎是不可能的。

    互联网协议入门(一) - 第8张  | 快课网

    因此,必须找到一种方法,能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络,哪些不是。如果是同一个子网络,就采用广播方式发送,否则就采用”路由”方式发送。(”路由”的意思,就是指如何向不同的子网络分发数据包,这是一个很大的主题,本文不涉及。)遗憾的是,MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关,与所处网络无关。

    这就导致了”网络层”的诞生。它的作用是引进一套新的地址,使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做”网络地址”,简称”网址”。

    于是,”网络层”出现以后,每台计算机有了两种地址,一种是MAC地址,另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系,MAC地址是绑定在网卡上的,网络地址则是管理员分配的,它们只是随机组合在一起。

    网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络,MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此,从逻辑上可以推断,必定是先处理网络地址,然后再处理MAC地址。

    4.2 IP协议

    规定网络地址的协议,叫做IP协议。它所定义的地址,就被称为IP地址。

    目前,广泛采用的是IP协议第四版,简称IPv4。这个版本规定,网络地址由32个二进制位组成。

    互联网协议入门(一) - 第9张  | 快课网

    习惯上,我们用分成四段的十进制数表示IP地址,从0.0.0.0一直到255.255.255.255。

    互联网上的每一台计算机,都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分,前一部分代表网络,后一部分代表主机。比如,IP地址172.16.254.1,这是一个32位的地址,假定它的网络部分是前24位(172.16.254),那么主机部分就是后8位(最后的那个1)。处于同一个子网络的电脑,它们IP地址的网络部分必定是相同的,也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。

    但是,问题在于单单从IP地址,我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例,它的网络部分,到底是前24位,还是前16位,甚至前28位,从IP地址上是看不出来的。

    那么,怎样才能从IP地址,判断两台计算机是否属于同一个子网络呢?这就要用到另一个参数”子网掩码”(subnet mask)。

    所谓”子网掩码”,就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址,也是一个32位二进制数字,它的网络部分全部为1,主机部分全部为0。比如,IP地址172.16.254.1,如果已知网络部分是前24位,主机部分是后8位,那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000,写成十进制就是255.255.255.0。

    知道”子网掩码”,我们就能判断,任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算(两个数位都为1,运算结果为1,否则为0),然后比较结果是否相同,如果是的话,就表明它们在同一个子网络中,否则就不是。

    比如,已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0,请问它们是否在同一个子网络?两者与子网掩码分别进行AND运算,结果都是172.16.254.0,因此它们在同一个子网络。

    总结一下,IP协议的作用主要有两个,一个是为每一台计算机分配IP地址,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

    4.3 IP数据包

    根据IP协议发送的数据,就叫做IP数据包。不难想象,其中必定包括IP地址信息。

    但是前面说过,以太网数据包只包含MAC地址,并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义,再添加一个栏位呢?

    回答是不需要,我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的”数据”部分,因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处:上层的变动完全不涉及下层的结构。

    具体来说,IP数据包也分为”标头”和”数据”两个部分。

    互联网协议入门(一) - 第10张  | 快课网

    “标头”部分主要包括版本、长度、IP地址等信息,”数据”部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后,以太网数据包就变成了下面这样。

    互联网协议入门(一) - 第11张  | 快课网

    IP数据包的”标头”部分的长度为20到60字节,整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此,理论上,一个IP数据包的”数据”部分,最长为65,515字节。前面说过,以太网数据包的”数据”部分,最长只有1500字节。因此,如果IP数据包超过了1500字节,它就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了。

    4.4 ARP协议

    关于”网络层”,还有最后一点需要说明。

    因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的,所以我们必须同时知道两个地址,一个是对方的MAC地址,另一个是对方的IP地址。通常情况下,对方的IP地址是已知的(后文会解释),但是我们不知道它的MAC地址。

    所以,我们需要一种机制,能够从IP地址得到MAC地址。

    这里又可以分成两种情况。第一种情况,如果两台主机不在同一个子网络,那么事实上没有办法得到对方的MAC地址,只能把数据包传送到两个子网络连接处的”网关”(gateway),让网关去处理。

    第二种情况,如果两台主机在同一个子网络,那么我们可以用ARP协议,得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它所要查询主机的IP地址,在对方的MAC地址这一栏,填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个”广播”地址。它所在子网络的每一台主机,都会收到这个数据包,从中取出IP地址,与自身的IP地址进行比较。如果两者相同,都做出回复,向对方报告自己的MAC地址,否则就丢弃这个包。

    总之,有了ARP协议之后,我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址,可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

    五、传输层

    5.1 传输层的由来

    有了MAC地址和IP地址,我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

    接下来的问题是,同一台主机上有许多程序都需要用到网络,比如,你一边浏览网页,一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候,你怎么知道,它是表示网页的内容,还是表示在线聊天的内容?

    也就是说,我们还需要一个参数,表示这个数据包到底供哪个程序(进程)使用。这个参数就叫做”端口”(port),它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口,所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

    “端口”是0到65535之间的一个整数,正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用,用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天,应用程序会随机选用一个端口,然后与服务器的相应端口联系。

    “传输层”的功能,就是建立”端口到端口”的通信。相比之下,”网络层”的功能是建立”主机到主机”的通信。只要确定主机和端口,我们就能实现程序之间的交流。因此,Unix系统就把主机+端口,叫做”套接字”(socket)。有了它,就可以进行网络应用程序开发了。

    5.2 UDP协议

    现在,我们必须在数据包中加入端口信息,这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议,它的格式几乎就是在数据前面,加上端口号。

    UDP数据包,也是由”标头”和”数据”两部分组成。

    互联网协议入门(一) - 第12张  | 快课网

    “标头”部分主要定义了发出端口和接收端口,”数据”部分就是具体的内容。然后,把整个UDP数据包放入IP数据包的”数据”部分,而前面说过,IP数据包又是放在以太网数据包之中的,所以整个以太网数据包现在变成了下面这样:

    互联网协议入门(一) - 第13张  | 快课网

    UDP数据包非常简单,”标头”部分一共只有8个字节,总长度不超过65,535字节,正好放进一个IP数据包。

    5.3 TCP协议

    UDP协议的优点是比较简单,容易实现,但是缺点是可靠性较差,一旦数据包发出,无法知道对方是否收到。

    为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂,但可以近似认为,它就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失,就收不到确认,发出方就知道有必要重发这个数据包了。

    因此,TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

    TCP数据包和UDP数据包一样,都是内嵌在IP数据包的”数据”部分。TCP数据包没有长度限制,理论上可以无限长,但是为了保证网络的效率,通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度,以确保单个TCP数据包不必再分割。

    六、应用层

    应用程序收到”传输层”的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构,数据来源五花八门,必须事先规定好格式,否则根本无法解读。

    “应用层”的作用,就是规定应用程序的数据格式。

    举例来说,TCP协议可以为各种各样的程序传递数据,比如Email、WWW、FTP等等。那么,必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式,这些应用程序协议就构成了”应用层”。

    这是最高的一层,直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的”数据”部分。因此,现在的以太网的数据包就变成下面这样。

    互联网协议入门(一) - 第14张  | 快课网

    至此,整个互联网的五层结构,自下而上全部讲完了。这是从系统的角度,解释互联网是如何构成的。下一篇,我反过来,从用户的角度,自上而下看看这个结构是如何发挥作用,完成一次网络数据交换的。

    七、一个小结

    先对前面的内容,做一个小结。

    我们已经知道,网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包,后者收到了,回复一个数据包,从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构,基本上是下面这样:

    互联网协议入门(二) - 第2张  | 快课网

    发送这个包,需要知道两个地址:

      * 对方的MAC地址

      * 对方的IP地址

    有了这两个地址,数据包才能准确送到接收者手中。但是,前面说过,MAC地址有局限性,如果两台电脑不在同一个子网络,就无法知道对方的MAC地址,必须通过网关(gateway)转发。

    互联网协议入门(二) - 第3张  | 快课网

    上图中,1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它先判断4号电脑是否在同一个子网络,结果发现不是(后文介绍判断方法),于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议,发现4号电脑位于子网络B,又把数据包发给网关B,网关B再转发到4号电脑。

    1号电脑把数据包发到网关A,必须知道网关A的MAC地址。所以,数据包的目标地址,实际上分成两种情况:

    场景数据包地址
    同一个子网络对方的MAC地址,对方的IP地址
    非同一个子网络网关的MAC地址,对方的IP地址

    发送数据包之前,电脑必须判断对方是否在同一个子网络,然后选择相应的MAC地址。接下来,我们就来看,实际使用中,这个过程是怎么完成的。

    八、用户的上网设置

    8.1 静态IP地址

    你买了一台新电脑,插上网线,开机,这时电脑能够上网吗?

    互联网协议入门(二) - 第4张  | 快课网

    通常你必须做一些设置。有时,管理员(或者ISP)会告诉你下面四个参数,你把它们填入操作系统,计算机就能连上网了:

      * 本机的IP地址
    * 子网掩码
    * 网关的IP地址
    * DNS的IP地址

    下图是Windows系统的设置窗口。

    互联网协议入门(二) - 第5张  | 快课网

    这四个参数缺一不可,后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的,计算机每次开机,都会分到同样的IP地址,所以这种情况被称作”静态IP地址上网”。

    但是,这样的设置很专业,普通用户望而生畏,而且如果一台电脑的IP地址保持不变,其他电脑就不能使用这个地址,不够灵活。出于这两个原因,大多数用户使用”动态IP地址上网”。

    8.2 动态IP地址

    所谓”动态IP地址”,指计算机开机后,会自动分配到一个IP地址,不用人为设定。它使用的协议叫做DHCP协议

    这个协议规定,每一个子网络中,有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址,它叫做”DHCP服务器”。新的计算机加入网络,必须向”DHCP服务器”发送一个”DHCP请求”数据包,申请IP地址和相关的网络参数。

    前面说过,如果两台计算机在同一个子网络,必须知道对方的MAC地址和IP地址,才能发送数据包。但是,新加入的计算机不知道这两个地址,怎么发送数据包呢?

    DHCP协议做了一些巧妙的规定。

    8.3 DHCP协议

    首先,它是一种应用层协议,建立在UDP协议之上,所以整个数据包是这样的:

    互联网协议入门(二) - 第6张  | 快课网

      (1)最前面的”以太网标头”,设置发出方(本机)的MAC地址和接收方(DHCP服务器)的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址,后者这时不知道,就填入一个广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

      (2)后面的”IP标头”,设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时,对于这两者,本机都不知道。于是,发出方的IP地址就设为0.0.0.0,接收方的IP地址设为255.255.255.255。

      (3)最后的”UDP标头”,设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的,发出方是68端口,接收方是67端口。

    这个数据包构造完成后,就可以发出了。以太网是广播发送,同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是发给谁的,所以每台收到这个包的计算机,还必须分析这个包的IP地址,才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0,接收方是255.255.255.255,于是DHCP服务器知道”这个包是发给我的”,而其他计算机就可以丢弃这个包。

    接下来,DHCP服务器读出这个包的数据内容,分配好IP地址,发送回去一个”DHCP响应”数据包。这个响应包的结构也是类似的,以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址,IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址(发出方)和255.255.255.255(接收方),UDP标头的端口是67(发出方)和68(接收方),分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

    新加入的计算机收到这个响应包,于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

    8.4 上网设置:小结

    这个部分,需要记住的就是一点:不管是”静态IP地址”还是”动态IP地址”,电脑上网的首要步骤,是确定四个参数。这四个值很重要,值得重复一遍:

      * 本机的IP地址
    * 子网掩码
    * 网关的IP地址
    * DNS的IP地址

    有了这几个数值,电脑就可以上网”冲浪”了。接下来,我们来看一个实例,当用户访问网页的时候,互联网协议是怎么运作的。

    九、一个实例:访问网页

    9.1 本机参数

    我们假定,经过上一节的步骤,用户设置好了自己的网络参数:

      * 本机的IP地址:192.168.1.100
    * 子网掩码:255.255.255.0
    * 网关的IP地址:192.168.1.1
    * DNS的IP地址:8.8.8.8

    然后他打开浏览器,想要访问Google,在地址栏输入了网址:www.google.com。

    互联网协议入门(二) - 第7张  | 快课网

    这意味着,浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

    9.2 DNS协议

    我们知道,发送数据包,必须要知道对方的IP地址。但是,现在,我们只知道网址www.google.com,不知道它的IP地址。

    DNS协议可以帮助我们,将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8,于是我们向这个地址发送一个DNS数据包(53端口)。

    互联网协议入门(二) - 第8张  | 快课网

    然后,DNS服务器做出响应,告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是,我们知道了对方的IP地址。

    9.3 子网掩码

    接下来,我们要判断,这个IP地址是不是在同一个子网络,这就要用到子网掩码。

    已知子网掩码是255.255.255.0,本机用它对自己的IP地址192.168.1.100,做一个二进制的AND运算(两个数位都为1,结果为1,否则为0),计算结果为192.168.1.0;然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算,计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等,所以结论是,Google与本机不在同一个子网络。

    因此,我们要向Google发送数据包,必须通过网关192.168.1.1转发,也就是说,接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。

    9.4 应用层协议

    浏览网页用的是HTTP协议,它的整个数据包构造是这样的:

    互联网协议入门(二) - 第9张  | 快课网

    HTTP部分的内容,类似于下面这样:

      GET / HTTP/1.1
    Host: www.google.com
    Connection: keep-alive
    User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
    Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
    Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
    Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
    Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
    Cookie: … …

    我们假定这个部分的长度为4960字节,它会被嵌在TCP数据包之中。

    9.5 TCP协议

    TCP数据包需要设置端口,接收方(Google)的HTTP端口默认是80,发送方(本机)的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数,假定为51775。

    TCP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入HTTP的数据包,总长度变为4980字节。

    9.6 IP协议

    然后,TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址,这是已知的,发送方是192.168.1.100(本机),接收方是172.194.72.105(Google)。

    IP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入的TCP数据包,总长度变为5000字节。

    9.7 以太网协议

    最后,IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址,发送方为本机的网卡MAC地址,接收方为网关192.168.1.1的MAC地址(通过ARP协议得到)。

    以太网数据包的数据部分,最大长度为1500字节,而现在的IP数据包长度为5000字节。因此,IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头(20字节),所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

    互联网协议入门(二) - 第10张  | 快课网

    9.8 服务器端响应

    经过多个网关的转发,Google的服务器172.194.72.105,收到了这四个以太网数据包。

    根据IP标头的序号,Google将四个包拼起来,取出完整的TCP数据包,然后读出里面的”HTTP请求”,接着做出”HTTP响应”,再用TCP协议发回来。

    本机收到HTTP响应以后,就可以将网页显示出来,完成一次网络通信。

    互联网协议入门(二) - 第11张  | 快课网

    这个例子就到此为止,虽然经过了简化,但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。


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    目录

     

    一、OSI七层参考模型:

    二、TCP/IP四层结构

    三、OSI七层协议和TCP/IP协议之间的关系


    一、OSI七层参考模型:

    全称:开放系统互连参考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI/RM)

    补充:为什么要有一个个层:

    物理层:010101比特流,设备之间原始数据的传输,数模转换(发送端)和模数转换(接收端)

    -》传输过程可能出现错码和误码?

    数据链路层:将原始比特流转换成逻辑传输符号,提供纠错编码,格式变为帧

    -》出现多个网络节点,应该选择哪个节点?

    网络层:通过路由选择,选择最佳路径,数据格式是IP数据包

    -》某次连接传输的数据可能很大,会出现错传、漏传

    传输层:将数据拆分成段,提供维护连接的机制(流量控制、拥塞控制)

    -》对用户来说每次都要使用传输层拆分,再使用网络层寻路很麻烦

    会话层:提供建立连接和维护连接的机制,方便用户使用

    -》不同操作系统之间的网络传输如何互通?linux/windows

    表示层:提供编码转换、加解密、解压缩

    -》接收方不知道发送发发送的是什么东西、数据有多长?

    应用层:规定发送方和接收方必须使用固定长度的消息头,并且消息头固定格式,并标明长度等信息。

    1.物理层

    设备之间原始数据的传输,数据格式:比特流。

    2.数据链路层

    原始比特流转换成逻辑传输数据,建立相邻结点之间的数据链路,mac地址寻址,数据格式:帧

    3.网络层

    将数据链路层提供的帧组成数据包,通过路由算法提供最佳传输路径,数据格式:IP数据包

    数据链路层解决同一网络节点间的传输,网络层解决不同子网间的传输。(IP是网络层)

    4.传输层

    数据格式:也称作数据包(packets)(TCP的数据单元称为段(segments)UDP的数据单元称为数据报(datagrams))

    拆分数据包,提供端对端不同主机用户进程数据传输,提供可靠或不可靠传输及流量控制,是连接通信子网和资源子网的桥梁。

    5.会话层

    不参与具体的传输,提供建立和维护应用间通信的机制。

    6.表示层

    数据的表示方式(格式处理及编码转换)和特定功能(加解密,解压缩)的实现

    7.应用层

    为用户提供服务,为操作系统或者应用程序提供访问网络的的接口

    应用层协议的代表包括:Telnet、FTP、HTTP、SNMP等

     

    二、TCP/IP四层结构

    1.链路层:

    包括物理层和数据链路层,是通过MAC地址传输数据的

    2.网络层:

    包括多种协议

    IP协议:通过路由选择将数据封装后交给链路层。

    ICMP协议(Internet Control Message Protocol):用于主机和路由器直接传递控制消息,常用的ping就是用这个协议。

    ARP协议(Address Resolution Protocol):是正向地址解析协议,通过IP查找mac地址。

    RARP协议:是反向地址解析协议,通过mac地址查找IP。

    3.传输层

     TCP协议:传输控制协议,是面向连接的、可靠的、基于IP的传输层协议

    UDP协议:用户数据报协议,提供面向事物的、简单、不可靠的信息传输协议

    4.应用层

    FTP协议:文件传输协议,用于文件的上传下载。

    Telnet协议:用户远程登录服务。

    DNS(Domain Name System)协议:域名解析协议,提供域名到IP的解析。

    SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)协议:简单的邮件传送协议,用于控制信件的发送中转。

    NFS协议:网络文件系统,用于不同主机间文件共享。

    HTTP协议:超文本传输协议,用于实现互联网访问功能。

     

    三、OSI七层协议和TCP/IP协议之间的关系

                           链路层                           物理层
                            数据链路层
                           网络层                           网络层
                           传输层                           传输层
                           应用层                           会话层
                               表示层
                               应用层

    OSI更注重通信模块必要的功能是什么

    TCP/IP更注重实现协议应该开发哪种程序

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    作为后端应用的开发者,我们经常开发、调试、测试完我们的应用并发布到生产环境,用户就可以直接访问到我们的应用了。但对于互联网应用,在你的应用和用户之间还隔着一层低调的或厚或薄的负载均衡层软件,它们不显山不露水默默的发挥着重要的作用,以至于我们经常忽略了它们的存在。因为负载均衡层通常不在一般开发人员的问题域内,而且它们一般都是现成且成熟的解决方案,以至于我们习惯性的忽略和认为乏善可陈。其实不然,本文就写写我对负载均衡层次结构的认知和理解。

    硬负载

    所谓「硬负载」就是采用硬件设备来提供负载均衡。

    在七、八年前那时我在做 Java 的企业软件开发,开发出来的企业级 Java 应用程序就部署在像 Weblogic 之类的应用容器中。而这类应用容器软件又跑在 Unix 的小型机上。把硬件和软件一体打包作为企业应用解决方案卖给客户。这类应用部署的方案十分简单,层级也比较浅。为了保证可靠性,使用两套小型机上各部署一个 Weblogic Server,在应用服务前面使用像 F5 之类的硬件负载均衡器,如下图所示。

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    由于小型机和前面的 F5 负载均衡硬件都比较贵,所以出于可靠性、可维护性和成本的综合考虑,一般应用部署两套跑在两台小型机上,在前面共享一个 F5 做负载均衡。而一般 F5 和小型机这类硬件设备都至少是 5 个 9 的可靠性保障,所以整体的系统可靠性基本有保障。

    进入互联网时代后,应用开发拥抱开源,部署使用更廉价的 PC Server 和免费开源的应用容器。负载均衡也逐步从硬负载向软负载变迁,由于互联网应用的海量特性和部署规模的急剧膨胀,前端负载均衡也开始变得丰富起来。

    软负载

    进入互联网公司后,我们刚开始开发应用时,业务规模小用户量还不大,机器数量也少(<10)。所以一开始的负载均衡的结构也是很简单的,类似硬负载只是把硬件换成了免费的开源软件并跑在可用性是有 3 个 9 的廉价 PC Server 上。

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    前面一个 LVS 后面跟着几个应用服务,后来为了方便做按域名的分流和适配切流量上线,中间又加了一层 Nginx。

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    这样就变成了两层软负载结构了,LVS 负责 4 层,Nginx 负责 7 层。 但 Nginx 只负责了单机内多实例的负载均衡,这里主要是因为当时 PC Server 是物理机,CPU 16/32 core,内存 32/64G 不等,为了更充分的利用资源,一台物理机上都部署了多个应用服务实例,而考虑到 Nginx 工作在 7 层的开销远高于 LVS/DR 模式,所以一般在一个 Nginx 后面挂的实例数也不会超过 10 个。

    但随着业务发展和用户流量上升,机器规模也在不断扩张,导致一个网段内的 IP 都不够用了,这套负载结构又遇到了横向扩展的瓶颈,因为 LVS/DR 模式下跨不了网段。所以后来又在 LVS 和 Nginx 之间加了一层 HAProxy,负载结构就变成了下面这样。

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    其实加了 HAProxy 之后,它也是工作在 7 层,这样 Nginx 这层看起来就不是很有必要。但三层的负载结构能支撑更大规模的集群,而原本在 Nginx 层做了一套方便研发切流量上线的运维管理系统,所以牺牲一点性能换取现在的可维护性和将来扩展性,Nginx 这层就一直保留下来了。而且 Nginx 相比 HAProxy 不是纯粹的负载均衡器,它还能提供 cache 功能,对于某些 HTTP 请求实际只走到 Nginx 这层就可以通过缓存命中而返回。

    DNS负载

    随着业务发展,公司开始了多个 IDC 的建设,考虑到 IDC 级别的容灾,集群开始部署到多个 IDC。跨 IDC 的负载均衡方案可以简单通过 DNS 轮询来实现,但可控性不好。所以我们没有采用这种,而是采用一主加多子域名的方式来基于业务场景实现动态域名调度和负载。主域名下实际是一个动态流量调度器,跨多个 IDC 部署,对于 HTTP 请求基于重定向方式跳子域名,对于 TCP 方式每次建立长连接前请求分配实际连接的子域名,如下图所示。

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    CDN负载

    最后再加上互联网应用必不可少的 CDN 将静态资源请求的负载分流,那么整个负载的层次结构就完整了。

    SSL 带来的负载结构变化

    随着互联网的普及,安全问题益发严重,原本早期只有银行网银等使用 HTTPS 方式访问,现在电商类网站也开始启用全站 HTTPS 了。引入 SSL 后对负载结构带来了什么影响么?SSL 属于应用层的协议,所以只能在 7 层上来做,而 HAProxy 也是支持 SSL 协议的,所以一种方式是只需简单的让 HAProxy 开启 SSL 支持完成对内解密对外加密的处理。

    但 HAProxy 的作者不太赞同这种方案,因为引入 SSL 处理是有额外的性能开销的。那么在承担确定流量的情况下,假设原本需要 M 台 HAProxy,在开启了 SSL 后可能需要 M + N 台 HAProxy。随着流量增长,这种方式的横向扩展成本较高(毕竟 SSL 证书按服务器数量来收费的)。他给出的解决方案是再独立一层 SSL 代理缓存层,像下面这样。

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    L4 和 L7 之间独立的 SSL 代理缓存层只负责 SSL 协议的处理,把 HTTPS 转换成 HTTP,并检查本地缓存是否命中。若未命中再转发请求到后端的 L7 层应用负载均衡层。这样的好处是每个层次都可以根据流量来独立伸缩,而且 SSL 层显然可以跨多个应用共享,更节省成本。如果按这个思路来重新调整我们前面的负载均衡结构层次,将会演变成下面这样。

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    其实,这时我觉得应用前面的那层 Nginx 可能就显得多余了点,不是必需的。但如果现实这么演进下来很可能就会有这么一层冗余的东西存在很长一段时间,这就是理想和现实之间的差距吧。

    总结

    好了,本文到此为止。作为一名后台开发我其实对上面提及的各类开源软件如何配置、调优和管理并不熟悉,这属于运维开发的问题域范畴。但这并不妨碍我去了解我所开发的应用所处的整个环境是怎样的,多了解些你工作领域范围边界外的 What 和 Why,有时也能帮助我们更好的设计和解决自身问题域内的问题,别为自己设限而最终画地为牢。

    本来以为负载均衡这个古老的课题已经定型了,在写本文时又看到新闻,在近日举办的第十三届网络系统设计与实现 USENIX 研讨会上,来自 Google 的工程师又分享了其自研的 Maglev 负载均衡器。刚下了论文还没看,回头看了再来写写。

    参考

    [1] HAProxy Documentation. HAProxy Management Guide
    [2] HAProxy Documentation. HAProxy Starter Guide
    [3] Willy Tarreau. Making applications scalable with Load Balancing
    [4] LVS wiki. Load balancing
    [5] Wikipedia. Virtual Router Redundancy Protocol
    [6] shuming. LVS 工作模式以及工作原理


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