計算機系統014 - 協議層級

對於開發人員而言，從複雜的問題中找尋規律是基本的能力，亦如抽象。若是單一抽象仍不能較好詮釋問題，那還能夠從分層的角度來定義問題。分層能使咱們暫時從最旁枝末節的點抽身出來，擁有更高的視野，視其全貌。網絡環境複雜度不言而喻，因此分層也就成了公認選擇。

1. 協議層級

上圖中兩種分層方式，左邊的五層結構能夠當作是實踐派的作法，右邊的七層結構能夠堪稱是學術派的研究。不談優劣，只談適應不適應。目前主流使用的是五層結構，由於它更加適應於具體開發過程。畢竟分層是爲了解耦，解耦必然帶來性能下降及複雜度增長，因此取個權衡值纔是最實在的。

那麼對左邊封層方式，逐層簡要介紹以下：

1.1 Application 應用層

顧名思義，主要由應用、以及應用之間通訊協議構成。典型應用有瀏覽器、郵件、文件服務等，與之對應的則分別是HTTP、SMTP、FTP等協議。該層主要有以下兩個要素：

• 訪問形式： 域名，如 www.baidu.com
• 信息單元： message，或稱爲消息

1.1.1 Domain name system(DNS)

前文中提到過，每一個可聯網設備在網絡中真正惟一的標識符是其網卡上的MAC地址，其餘的只是爲了便於訪問而存在的高可讀性字段。相似於中國公民，其身份證號碼在國境內是惟一的，但數字可讀性差，因此還須要創建起姓名等映射關係便於訪問。一樣的，域名至關於真正要訪問MAC地址的高可讀性映射，只是綁定關係讓其變得有意義。而創建這種綁定關係的，就是域名系統DNS。

DNS中域名對應的直接映射並不是MAC地址，而是一串稱爲IP地址的數字。

IP Address

茫茫人海，只知道身份證號碼和姓名來找一我的是十分低效甚至沒法達成的，這時候，逐層的具體地址就派上了大用場。一樣的，爲了更便捷有效地管理網絡上各式各樣數量巨大的聯網設備，IP協議按相似省市縣的分層形式制訂了子網系統。

以IPv4(Version 4)爲例，每一個IP地址共32位，除去不一樣類型起始碼，其他主要由網絡號和主機號構成，對應「A省B市」的結構：

1.1.2 Port端口

一般應用是以進程的形式存在，單個主機上會有多個進程同時運行。IP地址雖然標示了當前主機號，但還不能標示到具體進程。所以不一樣主機上的進程如需通信，還必須經過額外字段標明進程，這個字段就是Port端口。

Port是一個16位數字，一般和IP地址同時使用。隨着互聯網的發展，部分Port(0~1024)已被某些知名服務佔用，如80/8080等。經過測試某些端口是否有響應，便可測試對應服務是否存在。

1.2 Transport 傳輸層

傳輸層負責在應用間傳遞message，即服務於應用層。與應用層兩要素相比，不一樣之處在於:

• 訪問形式：端口，8080
• 信息單元：segment

既然是在應用間傳遞信息，就必然要標明應用自己。而在一個host上，port是綁定到進程的，所以只須要經過port口進行標註便可。主流傳輸協議有TCP和UDP兩種，具體將在單獨章節介紹。

1.3 Network 網絡層

網絡層負責在主機間移動segment，即服務於傳輸層。與傳輸層兩要素相比，不一樣之處在於：

• 訪問形式：IP地址，如 192.168.128.10
• 信息單元：datagram

由於是在主機間傳遞信息，那麼天然標識符也只須要精確到IP自己便可。從硬件上講，一個主機一般一至多個網卡，各自有不一樣IP地址，但均和主機自己綁定。網絡層送出的信息中指明對端IP，傳入的信息中也可拆分出具體Port，隨後傳送到具體應用解析便可。

1.4 Link 鏈路層

前文提到，主機間的鏈路可能須要多個結點（如Switch、Router甚至ISP）的參與，要想把一條datagram成功送達對端主機，也絕非易事，所以專門分出一個鏈路層來完成鏈路的造成、維護、斷開等工做。鏈路層服務於網絡層，要素區別在於：

• 訪問形式：IP地址，如192.168.128.10
• 信息單元：frame

注意到這裏的信息單元並不是datagram，也就是說，鏈路層的信息與datagram除去header，其實還有可能內容自己也不相同。由於鏈路由不一樣有形無形的硬件鏈路構成，每一段鏈路的傳輸率、最大傳輸單元MTU等也各自不一樣，全部大於鏈路最大傳輸單元的datagram要想順利傳輸，就必須切分紅合適的frame，傳輸完成後，再從新組裝。

有人可能會問，一直說MAC地址是惟一標識，怎麼到了鏈路層還沒用上，別急，這就來了。

1.4.1 MAC Address

MAC地址是由網卡生產商生產時固化進網卡的，爲保證其惟一性，MAC地址中有一段是不一樣生產商申請到的代號。

上一篇中提到一個設備，叫作Switch交換機，也叫網橋，是MAC地址的集成器。要記住，IP地址是人爲地爲設備分配一個標識符，以便區隔管理，典型的如DHCP動態內存分配就印證了這個道理。所以網絡中必定存在一張IP地址和MAC地址的映射表，從而使得信息可以真正抵達對應的網卡。而一般，這個任務就交給了交換機。

1.5 Physical 物理層

物理層是最基礎的一層，它的職責只須要負責無缺地傳輸每個bit便可。有了鏈路層精肯定位到的兩個MAC主機，剩下的就交給硬件材料、協議等來完成了。如前所述，不會過多關注到底層的硬件細枝，所以若有興趣，可自行拓展閱讀。

2. packet封裝

前半部分對網絡中各個職能劃分了層級，爲了更加形象地展開剩下的packet封裝內容，要先講個快遞的通用流程。

快遞相信大部分人都收過，貢獻我本身的一張，並大體分層以下：

• 應用層

  賣家將貨物裝箱，貼上快遞單，上寫發貨人、收貨人地址等聯繫方式。

  對應的Message一樣封裝好內容後，即送出。

• 傳輸層

  分公司收到封裝好的包裹，按照地址，查詢下一站，並送出至相應分撥中心。

  對應的Segment中包含源和目的IP:Port，及其餘如稱重等輔助校驗信息。

• 網絡層

  分撥中心則負責決策將貨物送往另外一分撥中心，這一層偏向尋找遞送的最優途徑。

  網絡層對應的一樣是爲了給datagram找尋到送達的最優途徑，最優一般意味着最快，但不意味着所通過的路徑自己最短。

• 鏈路層

  肯定具體對接分撥中心後，將進一步肯定使用何種交通工具送達，並重組貨物結構（如集裝箱化）以便於運輸。

  在網絡層中肯定路徑後，鏈路層將負責重組收到的全部datagram，以便適應不一樣鏈路的最大傳輸單元大小。

• 物理層

  肯定交通工具後，交給貨運負責人員便可。

3. 小結

歸根結底，各層協議的定義只是爲了更好地完成層級化後的本職工做，生活中也同樣，能真正地幹好本身的本職工做，其實自己就是對別人最大的尊重。固然也必須清晰地意識到，每一次層級的增多，再帶來更大兼容性的同時，每每意味着更大的溝通成本，如應用層對端可能只但願傳輸一個字符，實際上卻須要傳輸一堆額外的各層頭信息。