05_透视HTTP协议_常说的“四层”和“七层”到底是什么？

内容

TCP/IP协议，是一个有层次的协议栈，一直都有听说过，四层负载均衡，七层负载均衡，二层转发，三层路由...那这些层次的含义是什么？

TCP/IP网络分层模型

TCP/IP当初的设计者，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。

协议栈架构

层次顺序，从下往上，所以从最下面一层开始慢慢解释。

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。

网际层 / 网络互联层（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。

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，另外还有一个是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比较简单，他是无状态，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。

应用层

由于下面的三层把基础打得非常好，所以在这一层，想干嘛就干嘛了，有各种面向具体应用的协议。例如，Telnet、SSH、FTP、SMTP，还有HTTP

小结

MAC层传输单位是帧(frame)，IP层的传输单位是包(packet)，TCP层的传输单位是段(Segment)，HTTP的传输单位是消息或报文(message)。这些名词，都可以统称为数据包。

OSI网络分层模型

OSI，开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model)。70年代，网络协议频出，ISO感觉野路子太多了，就想来个大一统。于是，设计出了一个新的网络分层模型，想用这个框架来统一既存的各种网络协议。就是这个OSI

主要分成了七层，部分层次与TCP/IP很像：

OSI架构

1. 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
2. 第二层：数据链路层，相当于TCP/IP的链接层；
3. 第三层：网络层，相当于TCP/IP的网际层；
4. 第四层：传输层，相当于TCP/IP的传输层；
5. 第五层：会话层，维护网络中的连接状态，即保持会话和同步；
6. 第六层：表示层，把数据转换为合适、可理解的语法和语义；
7. 第七层：应用层，面向具体的应用传输数据

不过ISO很清楚，TCP/IP协议才是主导，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。但是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，没有网络应用的最根基的电缆、网卡等物理设备的位置。而OSI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有点：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的层次只有名字，没有编号。所以，比较好叫。这些只是理论上的，没有与现实完全对应。

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，那这两个模型是怎么去做互相映射或者说，互相解释的？（OSI在设计之初，就有参考了TCP/IP等多个协议）

两层结构相互映射

1. 第一层：物理层，TCP/IP里无对应；
2. 第二层：数据链路层，对应TCP/IP的链接层；
3. 第三层：网络层，对应TCP/IP的网际层；
4. 第四层：传输层，对应TCP/IP的传输层；
5. 第五、六、七层：统一对应到TCP/IP的应用层。

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，多余的五六层就此消失。

实际原因：
OSI的分层模型，在四层以上分得太细，而TCP/IP实际应用时的会话管理、编码转换、压缩等具体应用经常联系得很紧密，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。

所以，当我们在说：
四层负载均衡，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。
七层负载均衡，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

我们可以把HTTP利用TCP/IP协议栈传输数据，想象成一个发快递的过程。

假设内容：

1. 假设你想把一个毛绒玩具送给朋友，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协议为他加一个HTTP专用附加数据。塑料袋相当于HTTP头。
2. 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TCP层给数据再次打包，加上了TCP头。
3. 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IP层、MAC层对TCP数据包加上了IP头、MAC头
4. 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。
5. 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完全是“透明”的，上层也不需要关系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。

传输流程

小结

1. TCP/IP分为四层，核心是二层的IP和三层的TCP，HTTP在第四层；
2. OSI分为七层，基本对应TCP/IP，TCP在第四层，HTTP在第七层；
3. OSI可以映射到TCP/IP，但这期间一、五、六层消失了；
4. 日常交流的时候，我们通常使用OSI模型，用四层、七层等术语；
5. 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。

辨认四层+七层（不绝对，基于OSI）：

1. 凡是由操作系统负责处理的，就是四层或四层以下
2. 否则，凡是需要由应用程序（也就是自己写的代码）负责处理的，就是七层

额外

1. MAC地址（Media Access Control Address），也叫做局域网地址，可以唯一地标识一个网卡，也就同时标识了此网卡所属的设备

2. 在TCP/IP之外，还有一些协议位于OSI五层和六层的，比如，UNIX域套接字，就可以认为是在五层

3. 二层转发：设备工作在链路层，帧在经过交换机设备时，检查帧的头部信息，拿到目标mac地址，进行本地转发和广播

4. 三层路由：设备工作在ip层，报文经过有路由功能的设备时，设备分析报文中的头部信息，拿到ip地址，根据网段范围，进行本地转发或选择下一个网关（转发包）
   总：
   首先这里的二层和三层指的都是 OSI 中的对应的层级；
   1）二层转发就意味着是在数据链路层（Data Link Layer）做的转发，基于 MAC 地址，通常指的是交换机；
   2）三层路由意味着是在网络层（Network Layer）做的转发，通常指的是路由器（当然也有路由功能的交换机）；
   3）当数据传输到网络层，路由器会检查目的 IP 是否与自己处于同一网段，是则进行二层转发即请求目的主机的 MAC 地址，否则进行三层转发即进入路由的递归查找。

5. DNS： 属于应用层，其本身并不负责传输、网际的实际操作，只是将域名解析为 IP，方便下一层的使用

6. CDN： 也应当属于应用层，类似于 DNS 他们都是针对传输后的数据内容的操作，而非实际去处理传输等操作。