后端工程师，老师教的七层网络模型你用在了哪里？

Posted 2022-01-22 FlyLolo

计算机网络算是计算机课里公认比较难的课之一。OSI七层网络模型，这个词估计大部分人都还记得，但还能完全的背出具体都有哪些层吗？更不用说每层具体的含义，我是有点模糊了。除了具体的开发语言，数据结构和算法算是平时用到比较多的课程了。

都说学以致用，那么这个网络模型对于我们实际工作中有什么用途呢？比如我写了个web页面，或者一个Restful API，这和七层网络模型是怎么对应的呢？

首先从我们熟悉的请求处理过程开始。

1. 简单的请求处理过程

用一幅图简单描述一下用户发送请求、服务器接收并处理请求直至返回最终结果的过程。

当客户端向Web服务器发送一个请求后，服务器收到HTTP请求，如果是静态网站，则会直接返回对应的请求文件。

如果是动态语言的网站，HTTP服务器会将请求经过处理后转给对应的动态语言程序处理，例如Java、C#、Go、php和Python等，这些程序根据用户发过来的请求，进行处理后返回结果给HTTP服务器，HTTP服务器再讲结果处理并返回给用户。

这里用到的就是我们熟悉的HTTP协议，再看下OSI七层模型。

2. 回顾一下OSI七层模型

开放式系统互联通信参考模型，即Open System Interconnection Reference Model，缩写为 OSI, 是一种概念模型，由国际标准化组织提出，一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。

序号	分层	含义
1	应用层(Application)	用户的通信内容要由应用进程解决，这就要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，并且保证这些不同类型的应用所采用的低层通信协议是一致的。
2	表示层(Presentation)	在应用过程之间传送的信息提供表示方法的服务。表示层以下各层主要完成的是从源端到目的端可靠地的数据传送，而表示层更关心的是所传送数据的语法和语义。
3	会话层(Session)	负责维护两个节点之间的传输联接，确保点到点传输不中断，以及管理数据交换等功能。
4	传输层(Transport)	网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层。传输层不仅仅是一个单独的结构层，而是整个分析体系协议的核心。
5	网络层(Network)	为数据在节点之间传输创建逻辑链路，通过路由选择算法为分组选择最佳路径，从而实现拥塞控制、网络互联等功能。
6	数据链路层(DataLink)	在通信实体间建立数据链路联接，传输的基本单位为“帧”，并为网络层提供差错控制和流量控制服务。
7	物理层(Physical)	最底层，定义系统的电气、机械、过程和功能标准。

**注意：**常见的光纤、同轴电缆、双绞线、Rj45接口等传输介质也被称为传输媒体。**但传输媒体并不是在物理层，**而是在物理层的下一层，因为物理层是模型的第一层，所以也称传输媒体为第0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表的是什么意思。物理层则因为规定了电气特性，因此能够识别所传输的比特流，这是考试经常出现的问题之一。

下图所示为数据DATA从发送端到达接收端的中间处理过程：

当发送端需要发送数据(DATA)该接收端时，发送端大概流程：

• 用户操作应用层的应用，产生的发送数据通过应用层的接口进入应用层。
• 从应用层开始，逐级对DATA进行包装，加上对应层的报头，例如图中的AH、PH、SH、TH、NH等。
• 表示层并不“关心”应用层的数据格式，而是把整个应用层递交的数据报看成是一个整体进行封装，即加上表示层的报头(PH)，然后递交到会话层。
• 数据链路层除了要添加报头DH外，还会添加一个报尾DT还, 最终的一帧数据。

接收端：

• 接收端相当于是对发送过程的逆向，逐级抽丝剥茧，去掉各种报头报尾，最终回到接收端的应用层。
• 应用层对接收到的报文进行处理。

感觉HTTP协议和这个七层模型都是用于网络传输，那么二者有什么关系呢？这就必须要说一下TCP/IP协议。

3. TCP/IP协议

TCP/IP协议，英文为Transmission Control Protocol/Internet Protocol，是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，当然本文的重点HTTP协议也在其中， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。所以HTTP协议是TCP/IP协议簇中的一员。

3.1 五层的体系结构？

四层结构：TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层，见下图中的b。

那么TCP/IP的四层的体系结构和OSI 的七层协议有什么关系呢？

OSI 的体系结构的概念清楚、理论也较完整，但它是一个概念模型，相对既复杂又不实用。所以TCP/IP采用了四层结构。不过从实质上讲，TCP/IP只有最上面的三层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。

五层结构：五层结构又是什么呢？因此在学习计算机网络的原理时往往采取对上面两个协议的折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构(下图中的c)，这样既简洁又能将概念阐述清楚。有时为了方便，也可把最底下两层称为网络接口层。

下图说明了这几种结构的关系：

3.2 HTTP协议与TCP/IP协议的关系

常见的HTTP服务有Apache、 nginx 、IIS等，比较通用的机制就是创建一个进程监听80（443）接口，及时发现客户端发来的连接请求。当监听到连接请求并成功建立TCP连接之后，客户端就向服务器发送HTTP请求，服务器解析该请求并返回对应的结果，最后,释放TCP连接。

从三次握手的角度说一下HTTP协议与TCP/IP协议的关系：

用户在发出一个请求后，HTTP协议首先要和Web服务器建立 TCP连接。这需要使用三次握手。当握手两次之后（即过了一个RTT时间后)，客户端就把HTTP请求报文，作为建立TCP连接的第三次握手的数据，发送给HTTP服务器。服务器收到HTTP请求报文后，就把所请求的文档作为响应报文返回给客户端。

大概的机制如下图：

从图中可以看出，向服务器请求一个文档所需的总时间等于该文档的传输时间（与文档大小成正比）加上两倍的RTT 时间(一个RTT用于连接TCP连接，另一个RTT用于请求和接收文档。)。

这也体现了HTTP/1.0的主要缺点，就是每个请求都要有两倍的RTT 的开销。若一个主页上有很多链接的对象（如图片等）需要依次进行链接，那么每一次链接下载都导致2倍RTT的开销。另一种开销就是客户端和服务器每一次建立新的TCP连接都要分配缓存和变量。特别是HTTP服务器往往要同时服务于大量客户的请求，所以这种非持续连接会使HTTP服务器的负担很重。好在浏览器都能够打开5~10个并行的TCP连接，而每一个TCP连接处理客户的一个请求。因此，使用并行TCP连接可以缩短响应时间。

从这个痛点出发，HTTP/1.1协议较好地解决了这个问题，它使用了持续连接(persistent connection)。所谓持续连接就是HTTP服务器在发送响应后仍然在一段时间内保持这条连接，使同一个客户（浏览器）和该服务器可以继续在这条连接上传送后续的HTTP请求报文和响应报文。这并不局限于传送同一个页面上链接的文档，而是只要这些文档都在同一个服务器上就行。

3.3 HTTP报文样式

一个http请求可以分为请求地址和请求方法，请求头和请求体。如下图所示

这是已POST请求的例子，请求体中的⑤请求内容是一段JSON，目的是新建一个用户。

请求头是由一些key-value组成的集合，常见的元素有请求的长度、③请求内容格式和④期望的返回结果格式等。

③请求内容格式注明了当前请求体中的内容的格式，本例是JSON。

④期望的返回结果格式，告诉服务器，自己期望返回JSON格式的内容。服务器端如果支持多种格式的返回，例如支持JSON、XML等，这里可以根据客户端的期望返回对应的格式。所以这里只是期望，服务器如果不支持，还是有可能返回其他格式的响应数据。

响应结果也分为头和体两部分，大概结构如下图：

响应头部主要包括HTTP协议的版本、状态码、响应内容的格式等，响应体一般为响应的具体内容。

所以，后端服务器就是实现了接收HTTP请求并进行处理，然后返回相应结果的功能。而后端服务一般由HTTP服务器（IIS、Apache、Tomcat等，Tomcat比较特殊，既实现了HTTP服务器的功能，又实现了servlet容器的功能。）+处理程序组成。

3.4 HTTPS

HTTPS不是一种新协议。而是 HTTP 通信接口部分用 SSL和 TLS协议代替而已。

在上文中，HTTP 直接和 TCP 通信。当使用HTTPS时，中间加了一层SSL，需要先和 SSL通信，再由 SSL和 TCP 通信了。

大概的区别如下图：

具体HTTPS相关的知识比较多，就不在此赘述了。

4.参考资料：

《计算机网络》《图解HTTP》