1. 概述

1.1 协议

计算机之间通信是依靠互联网，互联网的核心是一系列协议。
协议，网络协议的简称，网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

1.2 分层体系结构

协议往往分成几个层次进行定义，分层定义是为了层与层之间解耦，互不影响，职责清晰，提高兼容性，方便技术创新。

1.2.1 TCP/IP 网络分层模型（4层）

IP 协议是“Internet Protocol”的缩写，主要目的是解决寻址和路由问题，以及如何在两点间传送数据包。IP 协议使用“IP 地址”的概念来定位互联网上的每一台计算机。
TCP 协议是“Transmission Control Protocol”的缩写，意思是“传输控制协议”，它位于 IP 协议之上，基于 IP 协议提供可靠的、字节流形式的通信，是 HTTP 协议得以实现的基础。
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。

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。MAC 层的传输单位是帧（frame）。

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。IP 层的传输单位是包（packet）。

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 层的传输单位是段（segment）。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。

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。HTTP 的传输单位则是消息或报文message）。

1.2.2 OSI网络分层模型（7层）

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，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。

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。

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”。

1.2.3 两个分层模型的映射关系

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。

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。

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。

1.2.4 TCP/IP协议栈的工作方式

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。

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。

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