计算机网络——分层
网络为什么要分层？
这里我们先探讨第一个问题，网络为什么要分层？因为，是个复杂的程序都要分层。
理解计算机网络中的概念，一个很好的角度是，想象网络包就是一段Buffer，或者一块内存，是有格式的。同时，想象自己是一个处理网络包的程序，而且这个程序可以跑在电脑上，可以跑在服务器上，可以跑在交换机上，也可以跑在路由器上。你想象自己有很多的网口，从某个口拿进一个网络包来，用自己的程序处理一下，再从另一个网口发送出去。
当然网络包的格式很复杂，这个程序也很复杂。复杂的程序都要分层，这是程序设计的要求。比如，复杂的电商还会分数据库层、缓存层、Compose层、Controller层和接入层，每一层专注做本层的事情。
程序是如何工作的？
我们可以简单地想象“你”这个程序的工作过程。
当一个网络包从一个网口经过的时候，你看到了，首先先看看要不要请进来，处理一把。有的网口配置了混杂模式，凡是经过的，全部拿进来。
拿进来以后，就要交给一段程序来处理。于是，你调用process_layer2(buffer)。当然，这是一个假的函数。但是你明白其中的意思，知道肯定是有这么个函数的。那这个函数是干什么的呢？从Buffer中，摘掉二层的头，看一看，应该根据头里面的内容做什么操作。
假设你发现这个包的MAC地址和你的相符，那说明就是发给你的，于是需要调用process_layer3(buffer)。这个时候，Buffer里面往往就没有二层的头了，因为已经在上一个函数的处理过程中拿掉了，或者将开始的偏移量移动了一下。在这个函数里面，摘掉三层的头，看看到底是发送给自己的，还是希望自己转发出去的。
如何判断呢？如果IP地址不是自己的，那就应该转发出去；如果IP地址是自己的，那就是发给自己的。根据IP头里面的标示，拿掉三层的头，进行下一层的处理，到底是调用process_tcp(buffer)呢，还是调用process_udp(buffer)呢？
假设这个地址是TCP的，则会调用process_tcp(buffer)。这时候，Buffer里面没有三层的头，就需要查看四层的头，看这是一个发起，还是一个应答，又或者是一个正常的数据包，然后分别由不同的逻辑进行处理。如果是发起或者应答，接下来可能要发送一个回复包；如果是一个正常的数据包，就需要交给上层了。交给谁呢？是不是有process_http(buffer)函数呢？
没有的，如果你是一个网络包处理程序，你不需要有process_http(buffer)，而是应该交给应用去处理。交给哪个应用呢？在四层的头里面有端口号，不同的应用监听不同的端口号。如果发现浏览器应用在监听这个端口，那你发给浏览器就行了。至于浏览器怎么处理，和你没有关系。
浏览器自然是解析HTML，显示出页面来。电脑的主人看到页面很开心，就点了鼠标。点击鼠标的动作被浏览器捕获。浏览器知道，又要发起另一个HTTP请求了，于是使用端口号，将请求发给了你。
你应该调用send_tcp(buffer)。不用说，Buffer里面就是HTTP请求的内容。这个函数里面加一个TCP的头，记录下源端口号。浏览器会给你目的端口号，一般为80端口。
然后调用send_layer3(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容，以及TCP的头。在这个函数里面加一个IP的头，记录下源IP的地址和目标IP的地址。
然后调用send_layer2(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容、TCP的头，以及IP的头。这个函数里面要加一下MAC的头，记录下源MAC地址，得到的就是本机器的MAC地址和目标的MAC地址。不过，这个还要看当前知道不知道，知道就直接加上；不知道的话，就要通过一定的协议处理过程，找到MAC地址。反正要填一个，不能空着。
万事俱备，只要Buffer里面的内容完整，就可以从网口发出去了，你作为一个程序的任务就算告一段落了。
揭秘层与层之间的关系
知道了这个过程之后，我们再来看一下原来困惑的问题。
首先是分层的比喻。所有不能表示出层层封装含义的比喻，都是不恰当的。总经理握手，不需要员工在吧，总经理之间谈什么，不需要员工参与吧，但是网络世界不是这样的。正确的应该是，总经理之间沟通的时候，经理将总经理放在自己兜里，然后组长把经理放自己兜里，员工把组长放自己兜里，像套娃娃一样。那员工直接沟通，不带上总经理，就不恰当了。
现实生活中，往往是员工说一句，组长补充两句，然后经理补充两句，最后总经理再补充两句。但是在网络世界，应该是总经理说话，经理补充两句，组长补充两句，员工再补充两句。
那TCP在三次握手的时候，IP层和MAC层在做什么呢？当然是TCP发送每一个消息，都会带着IP层和MAC层了。因为，TCP每发送一个消息，IP层和MAC层的所有机制都要运行一遍。而你只看到TCP三次握手了，其实，IP层和MAC层为此也忙活好久了。
这里要记住一点：只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。
所以，对TCP协议来说，三次握手也好，重试也好，只要想发出去包，就要有IP层和MAC层，不然是发不出去的。
经常有人会问这样一个问题，我都知道那台机器的IP地址了，直接发给他消息呗，要MAC地址干啥？这里的关键就是，没有MAC地址消息是发不出去的。
所以如果一个HTTP协议的包跑在网络上，它一定是完整的。无论这个包经过哪些设备，它都是完整的。
所谓的二层设备、三层设备，都是这些设备上跑的程序不同而已。一个HTTP协议的包经过一个二层设备，二层设备收进去的是整个网络包。这里面HTTP、TCP、 IP、 MAC都有。
什么叫二层设备呀，就是只把MAC头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。
那什么叫三层设备呢？就是把MAC头摘下来之后，再把IP头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。
TCP/IP 网络分层模型
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。
TCP/IP 当初的设计者真的是非常聪明，创造性地提出了“分层”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。
你应该对 TCP/IP 的协议栈有所了解吧，这里有张层次图。
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。
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“从下往上”数的，所以第一层就是最下面的一层。
第一层叫“链接层”（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。
第二层叫“网际层”或者“网络互连层”（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。
第三层叫“传输层”（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。
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。
协议栈的第四层叫“应用层”（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。
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。
OSI 网络分层模型
第二个网络分层模型：OSI，全称是“开放式系统互联通信参考模型”（Open System Interconnection Reference Model）。
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。
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。
OSI 模型分成了七层，部分层次与 TCP/IP 很像，从下到上分别是：
- 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，它基本相当于 TCP/IP 的链接层；
- 第三层：网络层，相当于 TCP/IP 里的网际层；
- 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、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。
至此，我们常说的“四层”“七层”就出现了。
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”。
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。
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”。
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。
两个分层模型的映射关系
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？
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。
- 第一层：物理层，TCP/IP 里无对应；
- 第二层：数据链路层，对应 TCP/IP 的链接层；
- 第三层：网络层，对应 TCP/IP 的网际层；
- 第四层：传输层，对应 TCP/IP 的传输层；
- 第五、六、七层：统一对应到 TCP/IP 的应用层。
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。
但这也有一定的实际原因。
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。
到这里，你应该能够明白一开始那些“某某层”的概念了。
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。
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。
TCP/IP 协议栈的工作方式
TCP/IP 协议栈是如何工作的呢？
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
这个过程画了一张图，你可以对照着加深理解。
总结
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始终想象自己是一个处理网络包的程序：如何拿到网络包，如何根据规则进行处理，如何发出去；
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始终牢记一个原则：只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。
- TCP/IP 分为四层，核心是二层的 IP 和三层的 TCP，HTTP 在第四层；
- OSI 分为七层，基本对应 TCP/IP，TCP 在第四层，HTTP 在第七层；
- OSI 可以映射到 TCP/IP，但这期间一、五、六层消失了；
- 日常交流的时候我们通常使用 OSI 模型，用四层、七层等术语；
- 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。
有一个辨别四层和七层比较好的（但不是绝对的）小窍门，“两个凡是”：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。
