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OSI 的七层模型

TCP/IP 网络模型

键入网址到网页显示发生了什么

你知道DNS是什么？

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OSI 的七层模型

简要概括

• 应用层：为用户的应用进程提供网络通信服务
• 表示层：处理用户信息的表示问题，数据的编码，压缩和解压缩，数据的加密和解密
• 会话层：负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信 ，控制应用程序之间会话能力；如不同软件数据分发给不同软件。
• 传输层：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，端到端传输数据的基本功能；
• 网络层：将网络地址翻译成对应的物理地址，并通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径。
• 数据链路层：接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上一层。定义数据的基本格式，如何传输，如何标识；如网卡MAC地址。
• 物理层：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。 底层数据传输，如网线；网卡标准。

总结

• 网络七层模型是一个标准，而非实现。
• 网络四层模型是一个实现的应用模型。
• 网络四层模型由七层模型简化合并而来。

TCP/IP 网络模型

问大家，为什么要有 TCP/IP 网络模型？

对于同一台设备上的进程间通信，有很多种方式，比如有管道、消息队列、共享内存、信号等方式，而对于不同设备上的进程间通信，就需要网络通信，而设备是多样性的，所以要兼容多种多样的设备，就协商出了一套通用的网络协议。

应用层

最上层的，也是我们能直接接触到的就是应用层，我们电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。那么，当两个不同设备的应用需要通信的时候，应用就把应用数据传给下一层，也就是传输层。

所以，应用层只需要专注于为用户提供应用功能。应用层是不用去关心数据是如何传输的，就类似于，我们寄快递

而且应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。

传输层

应用层的数据包会传给传输层，传输层是为应用层提供网络支持的。服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，

在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。

TCP 的全称叫传输控制协议，大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。TCP 保证数据包能可靠地传输给对方。

UDP 相对来说就很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，传输效率也高。

由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。

网络层

实际场景中的网络环节是错综复杂的，中间有各种各样的线路和分叉路口，如果一个设备的数据要传输给另一个设备，就需要在各种各样的路径和节点进行选择，实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层。

网络层最常使用的是 IP 协议，IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，

网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，世界上那么多设备，又该如何找到对方呢？因此，网络层需要有区分设备的编号。

我们一般用 IP 地址给设备进行编号，对于 IPv4 协议， IP 地址共 32 位，分成了四段（比如，192.168.100.1），每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配？这显然不科学。

因此，需要将 IP 地址分成两种意义：

• 一个是网络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的；
• 一个是主机号，负责标识同一「子网」下的不同主机；

那么在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号（表示要找到同一个子网），才会去找对应的主机。

除了寻址能力， IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。

路由器寻址工作中，就是要找到目标地址的子网，找到后进而把数据包转发给对应的网络内。

所以，IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。

网络接口层

生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层在 IP 头部的前面加上 MAC 头部，并封装成数据帧发送到网络上。

IP 头部中的接收方 IP 地址表示网络包的目的地，通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪里，但在以太网的世界中，这个思路是行不通的。

什么是以太网呢？电脑上的以太网接口，Wi-Fi接口，以太网交换机、路由器上的千兆，万兆以太网口，还有网线，它们都是以太网的组成部分。以太网就是一种在「局域网」内，把附近的设备连接起来，使它们之间可以进行通讯的技术。

以太网在判断网络包目的地时和 IP 的方式不同，因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地，而 MAC 头部就是干这个用的，所以，在以太网进行通讯要用到 MAC 地址。

MAC 头部是以太网使用的头部，它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息，我们可以通过 ARP 协议获取对方的 MAC 地址。

所以说，网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务，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 地址来标识网络上的设备。

键入网址到网页显示发生了什么

1. ⾸先，我们在浏览器地址栏中，输⼊要查找⻚⾯的URL，按下Enter
2. 浏览器会在缓存中去寻找匹配的URL，若有，就会直接在屏幕中显示
   出⻚⾯内容。若没有，则跳到第三步操作
3. 发送HTTP请求前，浏览器需要先进⾏域名解析(即DNS解析)，以获取相应的IP地址
4. 获取到IP地址之后，浏览器向服务器发起TCP连接，与浏览器建⽴TCP三次握⼿
5. 握⼿成功之后，浏览器就会向服务器发送HTTP请求，来请求服务器端的数据包
6. 服务器处理从浏览器端收到的请求，接着将响应数据返回给浏览器
7. 浏览器收到HTTP响应
8. 查询状态，状态成功则进⾏下⼀步，不成功则弹出相应指示
9. 再读取⻚⾯内容、进⾏浏览器渲染、解析HTML源码
10. 最后关闭TCP连接，发起了 TCP 四次挥手，至此双方的连接就断开了。

回车之后

浏览器做的第一步工作是解析 URL，从而生成发送给 Web 服务器的请求信息。

解析之后，浏览器确定了 Web 服务器和文件名，接下来就是根据这些信息来生成 HTTP 请求消息了。

接下来，需要委托操作系统将消息发送给 Web 服务器。

但在发送之前，还有一项工作需要完成，那就是查询服务器域名对应的 IP 地址，因为委托操作系统发送消息时，必须提供通信对象的 IP 地址。

所以，有一种服务器就专门保存了 Web 服务器域名与 IP 的对应关系，它就是 DNS 服务器。

通过 DNS 获取到 IP 后，就可以把 HTTP 的传输工作交给操作系统中的协议栈。

协议栈的内部分为几个部分，分别承担不同的工作。上下关系是有一定的规则的，上面的部分会向下面的部分委托工作，下面的部分收到委托的工作并执行。

协议栈的下面一半是用 IP 协议控制网络包收发操作，在互联网上传数据时，数据会被切分成一块块的网络包，而将网络包发送给对方的操作就是由 IP 负责的。

HTTP 是基于 TCP 协议传输的

首先，源端口号和目标端口号是不可少的，如果没有这两个端口号，数据就不知道应该发给哪个应用。

在 HTTP 传输数据之前，首先需要 TCP 建立连接，TCP 连接的建立，通常称为三次握手

如果 HTTP 请求消息比较长，超过了 MSS 的长度，这时 TCP 就需要把 HTTP 的数据拆解成一块块的数据发送，而不是一次性发送所有数据。

在双方建立了连接后，TCP 报文中的数据部分就是存放 HTTP 头部 + 数据，组装好 TCP 报文之后，就需交给下面的网络层处理。

TCP 模块在执行连接、收发、断开等各阶段操作时，都需要委托 IP 模块将数据封装成网络包发送给通信对象。

在 IP 协议里面需要有源地址 IP 和 目标地址 IP：

当存在多个网卡时，在填写源地址 IP 时，就需要判断到底应该填写哪个地址。这个判断相当于在多块网卡中判断应该使用哪个一块网卡来发送包。

这个时候就需要根据路由表规则，来判断哪一个网卡作为源地址 IP。

生成了 IP 头部之后，接下来网络包还需要在 IP 头部的前面加上 MAC 头部。

MAC 头部是以太网使用的头部，它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息。

在 MAC 包头里需要发送方 MAC 地址和接收方目标 MAC 地址，用于两点之间的传输。

既然知道要发给谁，那如何获取对方的 MAC 地址呢？此时就需要 ARP 协议帮我们找到路由器的 MAC 地址。

ARP 协议会在以太网中以广播的形式，对以太网所有的设备喊出：“这个 IP 地址是谁的？请把你的 MAC 地址告诉我”。

然后就会有人回答：“这个 IP 地址是我的，我的 MAC 地址是 XXXX”。

如果对方和自己处于同一个子网中，那么通过上面的操作就可以得到对方的 MAC 地址。然后，我们将这个 MAC 地址写入 MAC 头部，MAC 头部就完成了。

网络包只是存放在内存中的一串二进制数字信息，没有办法直接发送给对方。因此，我们需要将数字信息转换为电信号，才能在网线上传输，也就是说，这才是真正的数据发送过程。

负责执行这一操作的是网卡，要控制网卡还需要靠网卡驱动程序。

网卡驱动获取网络包之后，会将其复制到网卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。最后网卡会将包转为电信号，通过网线发送出去。

交换机的设计是将网络包原样转发到目的地。交换机工作在 MAC 层，也称为二层网络设备。

网络包经过交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备。

这一步转发的工作原理和交换机类似，也是通过查表判断包转发的目标。

在网络包传输的过程中，源 IP 和目标 IP 始终是不会变的，一直变化的是 MAC 地址，因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。

数据包抵达服务器后，服务器会先扒开数据包的 MAC 头部，查看是否和服务器自己的 MAC 地址符合，符合就将包收起来。

接着继续扒开数据包的 IP 头，发现 IP 地址符合，根据 IP 头中协议项，知道自己上层是 TCP 协议。

于是，扒开 TCP 的头，里面有序列号，需要看一看这个序列包是不是我想要的，如果是就放入缓存中然后返回一个 ACK，如果不是就丢弃。TCP 头部里面还有端口号， HTTP 的服务器正在监听这个端口号。

于是，服务器自然就知道是 HTTP 进程想要这个包，于是就将包发给 HTTP 进程。

服务器的 HTTP 进程看到，原来这个请求是要访问一个页面，于是就把这个网页封装在 HTTP 响应报文里。

HTTP 响应报文也需要穿上 TCP、IP、MAC 头部，不过这次是源地址是服务器 IP 地址，目的地址是客户端 IP 地址。

穿好头部衣服后，从网卡出去，交由交换机转发到出城的路由器，路由器就把响应数据包发到了下一个路由器，就这样转啊转。

最后转到了客户端的路由器，路由器扒开 IP 头部发现地址符合，于是又把包发给了交换机，再由交换机转发到客户端。

客户端收到了服务器的响应数据包后，同样也非常的高兴，客户能拆快递了！

于是，客户端开始扒皮，把收到的数据包的皮扒剩 HTTP 响应报文后，交给浏览器去渲染页面，一份特别的数据包快递，就这样显示出来了！

最后，客户端要离开了，向服务器发起了 TCP 四次挥手，至此双方的连接就断开了。

你知道DNS是什么？

官方解释：DNS（Domain Name System，域名解析），因特网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库。

通过主机名，最终得到该主机名对应的IP地址的过程叫做域名解析。

有一种服务器就专门保存了 Web 服务器域名与 IP 的对应关系，它就是 DNS 服务器。

域名的层级关系

DNS 中的域名都是用句点来分隔的，比如 www.server.com，这里的句点代表了不同层次之间的界限。

在域名中，越靠右的位置表示其层级越高。

所以域名的层级关系类似一个树状结构：

• 根 DNS 服务器（.）
• 顶级域 DNS 服务器（.com）
• 权威 DNS 服务器（server.com）

根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中。

这样一来，任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。

因此，客户端只要能够找到任意一台 DNS 服务器，就可以通过它找到根域 DNS 服务器，然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标 DNS 服务器。

域名解析的工作流程

1. 客户端首先会发出一个 DNS 请求，问 www.A.com 的 IP 是啥，并发给本地 DNS 服务器。
2. 本地域名服务器收到客户端的请求后，
3. 如果缓存里的表格能找到 www.A.com，则它直接返回 IP 地址。
4. 如果没有，本地 DNS 会去询问它的根域名服务器： www.A.com 的 IP 地址
5. 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后，发现后置是 .com，说：“www.A.com 这个域名归 .com 区域管理”，于是将 .com 域名服务器地址给本地DNS。”
6. 本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后，向他发起请求询问“ www.A.com 的 IP 地址”
7. 顶级域名服务器说给本地DNS负责 www.A.com 区域的权威 DNS 服务器的地址
8. 本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器：“www.A.com对应的IP是啥呀？” A.com 的权威 DNS 服务器，它是域名解析结果的原出处。权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
9. 最后，本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和目标建立连接。

DNS 域名解析的过程蛮有意思的，整个过程就和我们日常生活中找人问路的过程类似，只指路不带路。

那是不是每次解析域名都要经过那么多的步骤呢？

当然不是了，还有缓存这个东西的嘛。

浏览器会先看自身有没有对这个域名的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，就去问操作系统，操作系统也会去看自己的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，再去 hosts 文件看，也没有，才会去问「本地 DNS 服务器」。