01 高并发负载均衡：网络协议原理

OSI参考模型

OSI模型的设计目的是成为一个所有销售商都能实现的开放网路模型，来克服使用众多私有网络模型所带来的困难和低效性。OSI是在一个备受尊敬的国际标准团体的参与下完成的，这个组织就是ISO（国际标准化组织）。什么是OSI，OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开放式系统互联参考模型。

OSI采用了分层的结构化技术，共分七层： 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

• 应用层
  访问网络服务的接口
  例如：为操作系统和网络应用程序提供分行问网络服务的接口
  常见：Telnet、FTP、HTTP、SNMP、DNS等

• 表示层
  提供数据格式转换服务
  例如：解密与加密、图片解码和编码、数据的压缩和解压缩
  常见：URL加密、口令加密、图片编解码

• 会话层
  建立端连接并提供访问验证和会话管理（SESSION）
  例如：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点恢复通信
  常见：服务器验证用户登录、断点续传

• 传输层
  提供应用进程之间的逻辑通信
  例如：建立连接、处理数据包错误、数据包次序
  常见：TCP、UDP、SPX、进程、端口（socket）
  数据段（Segment）

• 网络层
  为数据在节点之间传输创建逻辑链路，并分组转发数据
  例如：对子网间的数据包进行路由选择
  常见：路由器、多层交换机、防火墙、IP、IPX、RIP、OSPF
  分组（数据包)(Packet）

• 链路层
  在通信的实体间建立数据链路连接
  例如：讲数据分帧，并处理流控制、物理地址寻址、重发等
  常见：网卡、网桥、二层交换机等
  帧（Frame）

• 物理层
  为数据端设备提供原始比特流的传输的通路
  例如：网络通信的数据传输介质，由电缆与设备共同构成
  常见：中继器、集线器、网线、HUB、RJ-45标准等
  比特（bit）

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TCP/IP协议模型

TCP/IP协议模型把OSI参考模型的七层精简为5层：应用层、传输控制层、网络层、链路层、物理层。其中，应用层为上层应用，后4层为系统内核。

应用层

浏览器，是我们经常用到的上层应用。我们只需要在地址栏输入网址，回车，就会看到相应的页面。



可是，这是怎么实现的呢？下面我们用命令的方式，模拟一下浏览器的工作过程，来研究一下它的工作原理。

命令行模拟浏览器的执行过程

• 进入目录

命令： cd /proc/$$/fd

命令	描述
cd	去哪
prcd	系统目录
$$	当前程序的进程号
fd	文件描述符

命令： ll

文件描述符	描述
0	输入
1	输出
2	报错

• 创建连接
  和百度建立握手，创建一个连接通信。

命令：exec 8<> /dev/tcp/www.baidu.com/80

命令	描述
/dev/tcp/www.baidu.com/80	文件路径
8	创建一个文件描述符8
<>	输入输出两个方向都指向8
exec	exec 是 bash 的内置命令。exec是用被执行的命令行替换掉当前的shell进程，且exec命令后的其他命令将不再执行。系统调用exec是以新的进程去代替原来的进程，但进程的PID保持不变。因此，可以这样认为，exec系统调用并没有创建新的进程，只是替换了原来进程上下文的内容。原进程的代码段，数据段，堆栈段被新的进程所代替。

• 传输数据
  客户端向百度发送请求，百度收到请求后把首页响应给客户端，使用http协议（规范标准）。

命令：echo -e 'GET / HTTP/1.0\n' >& 8

命令	描述
>	输出方向
&	后面不是文件，而是文件描述符
8	文件描述符
echo	打印
-e	使后面的\n变成换行符
GET / HTTP/1.0\n	http协议规定的request请求最小的写法。其中，GET：请求方法;HTTP：协议;1.0：http协议版本;\n：换行符，必须要带换行符。

打印字符串，请求百度，百度响应的字符串，通过socket，流回到8这个文件描述符中。

• 查看响应内容
  从8这个文件描述符输入字符串，打印到控制台，查看。

命令：cat 0<& 8

命令	描述
8	文件描述符，自定义
&	后面不是文件，而是文件描述符
<	输入方向
0	文件描述符，输入
cat	查看

• 关闭连接

命令：exec 8<& -

• 完整演示
  
  
  
  浏览器工作原理总结：
  1、建立连接
  客户端和服务器握手，建立连接。
  2、传输数据
  使用HTTP协议，客户端按照HTTP协议标准，发送请求字符串；服务器收到请求后，按照HTTP协议标准，响应字符串给客户端。
  3、关闭连接
  最后，客户端和服务器关闭连接。
  应用层，只是准备了协议参数，建立连接、传输数据、关闭连接等，都要依赖下层来实现。

传输控制层

TCP协议是面向连接的，可靠传输。客户端和服务器，经过三次握手建立连接，然后传输数据，传输完成后，通过四次分手，断开连接。

• 建立连接
  客户端和服务器想要建立连接，需要通过三次握手，成功后开辟资源，建立连接。下面分别用生活版、程序版来说明一下。
  生活版：
  街上有一个靓女，靓仔看了一眼，有点心动。靓女注意到了有人看她，于是回看了靓仔一眼。靓仔又看了一眼靓女，两个人目光对上了。确认过眼神，于是靓仔上前和女孩聊天了。
  
  程序版：
  客户端向服务器发送连接请求，服务器收到后，也向客户端发送一个同意连接的请求，客户端再次向服务器发送确认收到的请求，连接可靠。客户端、服务器各自开辟资源，建立连接完成。
  

• 断开连接
  客户端和服务器想要连接，需要四次分手后才能断开连接，释放资源。下面分别用生活版、程序版来说明一下。
  生活版：
  靓仔和靓女聊的很投机，不知不觉间已经天黑了。靓女看到天都黑了，就准备回去了。
  靓女：“太晚了，我要回去了”。
  靓仔：“好的”。
  靓仔：“那我也回去吧”。
  靓女：“好的”。
  
  程序版：
  TCP协议是可靠连接，所以每次请求后都会确认。如果客户端想要断开与服务器的连接，需要四次分手后才能断开连接，释放资源。
  客户端：“我要和你断开连接”。
  服务器：“我同意”。
  服务器：“那我也和你断开连接吧”。
  客户端：“我同意”。
  

• 最小粒度
  三次握手 > 数据传输 > 四次分手，成为一个最小粒度，不可被分割。
  

• 查看连接

命令：netstat -natp

参数	描述
-n	ip地址
-a	所有
-t	tcp
-p	PID

表格属性描述

属性	描述
Proto	协议
Recv-Q	接收数量
Send-Q	发送数量
Local Address	本地地址
Foreign Address	远程地址
State	状态LISTEN监听、ESTABLISHED已连接
PID/Program name	进程号、程序名称

传输控制层，只是准备了握手包，三次握手、传输数据、四次分手等，都要依赖下层来实现。

网络层

网络端点之间通信，用的是下一跳机制。从一个端点（路由器）跳到下一个端点。

• 查看网卡信息文件

命令：vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33

参数	值	描述	四个维度
DEVICE	ens33	策略	-
HWADDR	00:50:56:2F:C0:10	MAC地址	-
TYPE	Ethernet	类型	-
ONBOOT	yes	开机是否启动	-
NM_CONTROLLED	-	-	-
BOOTPROTO	static	静态IP	-
IPADDR	192.168.174.53	IP地址	Y
NETMASK	255.255.255.0	掩码	Y
GATEWAY	192.168.174.2	网关	Y
DNS1	192.168.174.2	DNS1	Y
DNS2	-	DNS2	-

• 网络号
  ip地址与掩码按位做与运算，得到网络号。下面的例子，255是转换成2进制是全1的，所以ip地址的前三位和掩码的前三位做与运算，结果同ip的前三位；ip的第四位和掩码的第四位0做与运算，结果是0。
  IP & 掩码
  192.168.174.53 & 255.255.255.0=192.168.174.0

• 查看路由

命令：route -n

命令	描述
Destination	目标网络
Gateway	网关
Genmask	掩码

本机ip（192.168.174.53） & 掩码（255.255.255.0） = 目标地址（192.168.174.0）

• 下一跳
  

链路层

节点（电脑、手机等终端）间通信，用的是Mac地址。

• 节点是怎么知道网关mac地址的
  电脑开机后，会发送arp包给交换机，内容是自己的ip、mac地址、目标地址是网关ip、目标mac地址是全F的地址。
  交换机接到包会判断，如果是全F的目标mac地址，则会把arp包广播给其它所有交换机端口连接的主机。
  并且，学习这个arp包发送过来的交换机端口、主机ip、mac地址。
  如果ip不是网关的主机接到了广播过来的arp包，会直接丢弃；
  如果ip是网关，也就是路由器的其中一块网卡接收到了，则会做出应答：重新封装一个arp包，内容是自己的ip、mac地址、目标ip是收到的arp包的源ip地址、目标mac地址是收到的arp包的源mac地址，发给交换机。
  交换机收到路由器发来的arp包，发现目标mac地址自己学习过了，就不会在广播了，而是直接发给对应的主机。
  主机接到arp包后，学习网关的mac地址，之后就能通过mac地址找到网关了。
  

• 不同网络怎样通信
  

• 查看节点

命令：arp -a

总结

TCP/IP协议，进行网络传输，在端点间使用下一跳机制，在节点间用mac地址。每次下一跳，目标ip地址不变，但是mac地址会改变。

我们再梳理一下，以虚拟机访问百度为例：

• arp
  虚拟机1第一次联网,会自动向交换机发送arp包，来获取网关的mac地址。
  

• 直连
  目标ip与掩码运算，如果与目标ip一致，则直接连接。
  

• 下一跳
  

• 连接百度示意图
  主要是网络层、链路层，其中路由器是网络层的，交换机是链路层的。
  节点间通过链路层通信，端点间通过网络层通信。
  

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