這是一道我秋招面試字節(jié)遇到的真題。
這篇文章我會首先結(jié)合我們?nèi)粘５能浖到y(tǒng)開發(fā)介紹
「“為什么網(wǎng)絡(luò)要分層”？」 ，隨后我會介紹
「“OSI 7 層模型”」 以及
「“ TCP/IP 4層模型 ”」。我會詳細(xì)介紹目前廣泛使用的
「“ TCP/IP 4層模型 ”」 包括每一層做的事情以及相關(guān)的協(xié)議介紹。
01 為什么網(wǎng)絡(luò)要分層？
說到分層，我們先從我們平時使用框架開發(fā)一個后臺程序來說，我們往往會按照每一層做不同的事情的原則將系統(tǒng)分為 三層（復(fù)雜的系統(tǒng)分層可能會更多）:
Repository（數(shù)據(jù)庫操作）
Service（業(yè)務(wù)操作）
Controller（前后端數(shù)據(jù)交互）
「復(fù)雜的系統(tǒng)需要分層，因?yàn)槊恳粚佣夹枰獙Ｗ⒂谝活愂虑椤Ｎ覀兊木W(wǎng)絡(luò)分層的原因也是一樣，每一層只專注于做一類事情?！?/span>
「為什么計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要分層呢？」 ,我們再來較為系統(tǒng)的說一說：
「各層之間相互獨(dú)立」：各層之間相互獨(dú)立，各層之間不需要關(guān)心其他層是如何實(shí)現(xiàn)的，只需要知道自己如何調(diào)用下層提供好的功能就可以了（可以簡單理解為接口調(diào)用）「。這個和我們對開發(fā)時系統(tǒng)進(jìn)行分層是一個道理。」
「提高了整體靈活性」 ：每一層都可以使用最適合的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，你只需要保證你提供的功能以及暴露的接口的規(guī)則沒有改變就行了。「這個和我們平時開發(fā)系統(tǒng)的時候要求的高內(nèi)聚、低耦合的原則也是可以對應(yīng)上的。」
「大問題化小」 ：分層可以將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)間題分解為許多比較小的、界線比較清晰簡單的小問題來處理和解決。這樣使得復(fù)雜的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得易于設(shè)計，實(shí)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化。 「這個和我們平時開發(fā)的時候，一般會將系統(tǒng)功能分解，然后將復(fù)雜的問題分解為容易理解的更小的問題是相對應(yīng)的，這些較小的問題具有更好的邊界（目標(biāo)和接口）定義?！?/span>
說到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層，我想到了計算機(jī)世界非常非常有名的一句話，這里分享一下：
「計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的任何問題都可以通過增加一個間接的中間層來解決，計算機(jī)整個體系從上到下都是按照嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計的?！?/span>
大白：如果一層不夠那就加兩層吧！
「為了更好地去了解網(wǎng)絡(luò)分層，我們先來看一個雖然失敗，但是卻提供了很多不錯的理論基礎(chǔ)的OSI七層模型。」
02 OSI七層模型
OSI七層模型的大體結(jié)構(gòu)以及每一層提供的功能如下。「每一層都專注做一件事情，并且每一層都需要使用下一層提供的功能比如傳輸層需要使用網(wǎng)絡(luò)層提供的路有和尋址功能，這樣傳輸層才知道把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥睦锶??！?/span>
OSI七層模型「OSI的七層體系結(jié)構(gòu)概念清楚，理論也很完整，但是它比較復(fù)雜而且不實(shí)用，而且有些功能在多個層中重復(fù)出現(xiàn)。」
上面這種圖可能比較抽象，再來一個比較生動的圖片。下面這個圖片是我在國外的一個網(wǎng)站上看到的，非常贊！
在這里順帶提一下：「為什么最開始的時候一直被一些大公司甚至一些國家政府支持的OSI七層模型會失敗呢？」
OSI的專家缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，他們在完成OSI標(biāo)準(zhǔn)時缺乏商業(yè)驅(qū)動力
OSI的協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來過分復(fù)雜，而且運(yùn)行效率很低
OSI制定標(biāo)準(zhǔn)的周期太長，因而使得按OSI標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備無法及時進(jìn)入市場（20世紀(jì)90年代初期，雖然整套的OSI國際標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)制定出來，但基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)搶先在全球相當(dāng)大的范圍成功運(yùn)行了）
OSI的層次劃分不太合理，有些功能在多個層次中重復(fù)出現(xiàn)。
03 TCP/IP 4層模型
這是目前被廣泛采用的一種模型,我們可以將 TCP / IP 模型看作是 OSI 7層模型的精簡版本，由以下4層組成：
應(yīng)用層
傳輸層
網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)接口層
需要注意的是，我們并不能將 TCP/IP4層模型 和OSI7層模型完全精確地匹配起來，不過可以簡單將兩者對應(yīng)起來，如下圖所示：
TCP-IP-4-model
04 TCP/IP 4層模型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽
network-protocol-overview
「應(yīng)用層協(xié)議」 :
-
HTTP 協(xié)議（超文本傳輸協(xié)議，網(wǎng)頁瀏覽常用的協(xié)議）
-
DHCP 協(xié)議（動態(tài)主機(jī)配置）
-
DNS 系統(tǒng)原理（域名系統(tǒng)）
-
FTP 協(xié)議（文件傳輸協(xié)議）
-
Telnet協(xié)議（遠(yuǎn)程登陸協(xié)議）
-
電子郵件協(xié)議等（SMTP、POP3、IMAP）
-
......
「傳輸層協(xié)議」 :
-
TCP 協(xié)議
-
報文段結(jié)構(gòu)
-
可靠數(shù)據(jù)傳輸
-
流量控制
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擁塞控制
-
UDP 協(xié)議
-
報文段結(jié)構(gòu)
-
RDT（可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議）
「網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議」 :
-
IP 協(xié)議（TCP/IP 協(xié)議的基礎(chǔ)，分為 IPv4 和 IPv6）
-
ARP 協(xié)議（地址解析協(xié)議，用于解析 IP 地址和 MAC 地址之間的映射）
-
ICMP 協(xié)議（控制報文協(xié)議，用于發(fā)送控制消息）
-
NAT 協(xié)議（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議）
-
RIP 協(xié)議、OSPF 協(xié)議、BGP 協(xié)議（路由選擇協(xié)議）
-
......
「網(wǎng)絡(luò)接口層」 :
-
差錯檢測技術(shù)
-
多路訪問協(xié)議（信道復(fù)用技術(shù)）
-
CSMA/CD 協(xié)議
-
MAC 協(xié)議
-
以太網(wǎng)技術(shù)
-
......
應(yīng)用層（Application layer）
應(yīng)用層的任務(wù)是通過應(yīng)用進(jìn)程間的交互來完成特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，我們把應(yīng)用層交互的數(shù)據(jù)單元稱為報文。「應(yīng)用層協(xié)議定義的是應(yīng)用進(jìn)程（進(jìn)程：主機(jī)中正在運(yùn)行的程序,比如微信、QQ）間的通信和交互的規(guī)則。對于不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要不同的應(yīng)用層協(xié)議?！?/span> 在互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用層協(xié)議很多，如域名系統(tǒng)DNS，支持Web應(yīng)用的HTTP協(xié)議，支持電子郵件的SMTP協(xié)議等等。
簡單總結(jié)一下當(dāng)今使用的一些最常見的應(yīng)用層協(xié)議：
HTTP:超文本傳輸協(xié)議
「超文本傳輸協(xié)議（HTTP，HyperText Transfer Protocol)主要是為 Web 瀏覽器與 Web 服務(wù)器之間的通信而設(shè)計的?！?/span>
當(dāng)我們使用瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁的時候，我們網(wǎng)頁就是通過 HTTP 請求進(jìn)行加載的，整個過程如下圖所示。
HTTP請求過程「HTTP 協(xié)議是基于 TCP協(xié)議的」，發(fā)送 HTTP 請求之前首先要建立 TCP 連接也就是要經(jīng)歷 3 次握手。目前使用的 HTTP 協(xié)議大部分都是 1.1。在 1.1 的協(xié)議里面，默認(rèn)是開啟了 Keep-Alive 的，這樣的話建立的連接就可以在多次請求中被復(fù)用了。
另外， 「HTTP 協(xié)議是”無狀態(tài)”的協(xié)議，它無法記錄客戶端用戶的狀態(tài)」 一般我們都是通過 Session 來記錄客戶端用戶的狀態(tài)。
SMTP:簡單郵件傳輸(發(fā)送)協(xié)議
「簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol）的縮寫，基于 TCP 協(xié)議，用來發(fā)送電子郵件。」
注意??：「接受郵件的協(xié)議不是 SMTP 而是POP3協(xié)議。」
SMTP 協(xié)議這塊后面不會花費(fèi)太多篇幅來講解，直接提一下兩個比較重要的問題：
電子郵件的發(fā)送過程
如何判斷郵箱是真正存在的？
「電子郵件的發(fā)送過程？」
比如我的郵箱是“dabai@cszhinan.com”，我要向“xiaoma@qq.com”發(fā)送郵件，整個過程可以簡單分為下面幾步：
通過 「SMTP」 協(xié)議，我將我寫好的郵件交給163郵箱服務(wù)器（郵局）。
163郵箱服務(wù)器發(fā)現(xiàn)我發(fā)送的郵箱是qq郵箱，然后它使用 SMTP協(xié)議將我的郵件轉(zhuǎn)發(fā)到 qq郵箱服務(wù)器。
qq郵箱服務(wù)器接收郵件之后就通知郵箱為“xiaoma@qq.com”的用戶來收郵件，然后用戶就通過 「POP3/IMAP」 協(xié)議將郵件取出。
一個電子郵件被發(fā)送的過程「如何判斷郵箱是真正存在的？」
很多場景(比如郵件營銷)下面我們需要判斷我們要發(fā)送的郵箱地址是否真的存在，這個時候我們可以利用 SMTP 協(xié)議來檢測。這里就不多扯，再扯的話，估計這篇文章的內(nèi)容會很多，這并不是我的一貫風(fēng)格。推薦幾個在線郵箱是否有效檢測工具：
https://verify-email.org/
http://tool.chacuo.net/mailverify
https://www.emailcamel.com/
POP3/IMAP:郵件接收的協(xié)議
這兩個協(xié)議不多做闡述，只需要了解 「POP3 和 IMAP 兩者都是負(fù)責(zé)郵件接收的協(xié)議」即可。另外，需要注意不要將這兩者和 SMTP 協(xié)議搞混淆了。「SMTP 協(xié)議只負(fù)責(zé)郵件的發(fā)送，真正負(fù)責(zé)接收的協(xié)議是POP3/IMAP?！?/span>
IMAP 協(xié)議相比于POP3更新一點(diǎn)，為用戶提供的可選功能也更多一點(diǎn),幾乎所有現(xiàn)代電子郵件客戶端和服務(wù)器都支持IMAP。大部分網(wǎng)絡(luò)郵件服務(wù)提供商都支持POP3和IMAP。
FTP:文件傳輸協(xié)議
「文件傳輸協(xié)議 FTP（File Transfer Protocol），提供文件傳輸服務(wù)，基于 TCP 實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸。使用 FTP 傳輸文件的好處是可以屏蔽操作系統(tǒng)和文件存儲方式?！?/span>
FTP 是基于客戶—服務(wù)器（C/S）模型而設(shè)計的，在客戶端與 FTP 服務(wù)器之間建立兩個連接。如果我們要基于 FTP 協(xié)議開發(fā)一個文件傳輸?shù)能浖脑?，首先需要搞清?FTP 的原理。關(guān)于 FTP 的原理，很多書籍上已經(jīng)描述的非常詳細(xì)了：
FTP 的獨(dú)特的優(yōu)勢同時也是與其它客戶服務(wù)器程序最大的不同點(diǎn)就在于它在兩臺通信的主機(jī)之間使用了兩條 TCP 連接（其它客戶服務(wù)器應(yīng)用程序一般只有一條 TCP 連接）：
控制連接：用于傳送控制信息（命令和響應(yīng)）
數(shù)據(jù)連接：用于數(shù)據(jù)傳送；
這種將命令和數(shù)據(jù)分開傳送的思想大大提高了 FTP 的效率。
FTP工作過程
DNS:域名系統(tǒng)
「域名系統(tǒng)（DNS，Domain Name System）將人類可讀的域名 (例如，www.baidu.com) 轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀的 IP 地址 (例如，220.181.38.148)?！?/span> 我們可以將其理解為專為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的電話薄。
dns-overviewIP 地址是一個網(wǎng)卡再網(wǎng)絡(luò)世界中的通訊地址，我們可以把它理解為我們現(xiàn)實(shí)世界中的家庭地址。
「DNS 解析的完整流程是怎樣的呢？」
DNS 解析的完整流程
Telnet:遠(yuǎn)程登陸協(xié)議
遠(yuǎn)程登陸協(xié)議，通過一個終端登陸到其他服務(wù)器，建立在可靠的傳輸協(xié)議 TCP 之上。
「Telnet協(xié)議的最大缺點(diǎn)之一是所有數(shù)據(jù)（包括用戶名和密碼）均以明文形式發(fā)送，這有潛在的安全風(fēng)險。這就是為什么如今很少使用Telnet并被一種稱為SSH的非常安全的協(xié)議所取代的主要原因?！?/span>
SSH:安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議
SSH（ Secure Shell）是目前較可靠，專為遠(yuǎn)程登錄會話和其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供安全性的協(xié)議。利用 SSH 協(xié)議可以有效防止遠(yuǎn)程管理過程中的信息泄露問題。SSH 建立在可靠的傳輸協(xié)議 TCP 之上。
「Telnet 和 SSH 之間的主要區(qū)別在于 SSH 協(xié)議會對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密保證數(shù)據(jù)安全性?！?/span>
傳輸層（Transport layer）
「傳輸層的主要任務(wù)就是負(fù)責(zé)向兩臺主機(jī)進(jìn)程之間的通信提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)」。應(yīng)用進(jìn)程利用該服務(wù)傳送應(yīng)用層報文?！巴ㄓ玫摹笔侵覆⒉会槍δ骋粋€特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，而是多種應(yīng)用可以使用同一個運(yùn)輸層服務(wù)。
「運(yùn)輸層主要使用以下兩種協(xié)議：」
「傳輸控制協(xié)議TCP」（Transmisson Control Protocol）--提供「面向連接」的，「可靠的」數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
「用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP」（User Datagram Protocol）--提供「無連接」的，盡最大努力的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（「不保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>）。
網(wǎng)絡(luò)層（Network layer）
網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機(jī)提供通信服務(wù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)層把運(yùn)輸層產(chǎn)生的報文段或用戶數(shù)據(jù)報封裝成分組和包進(jìn)行傳送。在TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，由于網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，因此分組也叫IP數(shù)據(jù)報，簡稱數(shù)據(jù)報。
注意??：「不要把運(yùn)輸層的“用戶數(shù)據(jù)報UDP”和網(wǎng)絡(luò)層的“IP數(shù)據(jù)報”弄混」。
「網(wǎng)絡(luò)層的還有一個任務(wù)就是選擇合適的路由，使源主機(jī)運(yùn)輸層所傳下來的分株，能通過網(wǎng)絡(luò)層中的路由器找到目的主機(jī)?！?/span>
這里強(qiáng)調(diào)指出，網(wǎng)絡(luò)層中的“網(wǎng)絡(luò)”二字已經(jīng)不是我們通常談到的具體網(wǎng)絡(luò)，而是指計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型中第三層的名稱.
互聯(lián)網(wǎng)是由大量的異構(gòu)（heterogeneous）網(wǎng)絡(luò)通過路由器（router）相互連接起來的?；ヂ?lián)網(wǎng)使用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是無連接的網(wǎng)際協(xié)議（Intert Prococol）和許多路由選擇協(xié)議，因此互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層也叫做「網(wǎng)際層」或「IP層」。
網(wǎng)絡(luò)接口層
我們可以把網(wǎng)絡(luò)接口層看作是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的合體。
數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer)通常簡稱為鏈路層（ 兩臺主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，總是在一段一段的鏈路上傳送的）。「數(shù)據(jù)鏈路層的作用是將網(wǎng)絡(luò)層交下來的 IP 數(shù)據(jù)報組裝成幀，在兩個相鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路上傳送幀。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差錯控制等）?！?/span>
「物理層的作用是實(shí)現(xiàn)相鄰計算機(jī)節(jié)點(diǎn)之間比特流的透明傳送，盡可能屏蔽掉具體傳輸介質(zhì)和物理設(shè)備的差異」
最后再分享一個關(guān)于OSI 七層模型非常不錯的總結(jié)圖片！
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