OSI/RM模型的编址方案与TCP/IP编址方案的对比

Posted 2020-09-05 dog250

还是抛出老问题，IP地址到底是属于主机的还是属于网卡的？理解了这个看似无聊的问题，可以帮助你增强各种动态路由协议，IPv6等技术的理解深度。
        请看我在2013年的一篇文章《 闲聊计算机IP网络》，此文从技术的角度解释了该问题，本文将从另外一个角度来解释。
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        这个问题是在帮朋友设计一个IS-IS和IP Anycast相关模块时一起聊到的，由于朋友不想透露更多的细节，我也就不再说过多。仅仅针对问题而解释问题。
        其实这个问题现在非常好回答，我们把IP地址换成别的说法，叫做网络层标识，那么问题就变成了“ 设备的网络层标识到底是属于主机的还是属于网卡的？”
        答案很简单，在OSI模型下，它是属于主机的，在TCP/IP模型下，它是属于网卡的。
     Why？这要从OSI模型以及TCP/IP模型的编址说起了。
        我们在学习网络的时候，不管是上课还是看书自学，几乎第一节课都是OSI分层模型，然后其实这个模型就没啥用了，后面所有的内容都是围绕着TCP/IP展开，即便是IS-IS，也不是纯的OSI模型的版本，而是兼容IP协议的集成IS-IS...所以对于大多数人来说，OSI分层模型仅仅停留在概念阶段，并且这个概念还是十分模糊的。
        但是其实，OSI模型和TCP/IP模型的差异十分巨大！这种差异体现在我们对一些基本概念的理解上，哦，对了，跟IPv6也有关系...

网络层编址

先来看看TCP/IP模型是怎么来划分网段的：

所以说，一个路由器会属于不同的网络中，比如我们常见的默认网关，它就属于内网和外网，在内网和外网均有一个角色。因此它有至少2个IP地址，内网网卡上的IP地址标识其内网的角色，而外网的IP地址标识其外网的角色。
        对于更加复杂动态路由域的划分，也是如此。以OSPF为例，Area的边界在路由器。
        这种编址方式直接影响了转发动作中的路由查找。路由器收到一个数据包之后，如果数据包的目标地址属于自己的一个网络，那么将会匹配到一种特殊的路由，即链路层路由。这种链路层路由不需要配置，是根据网卡所配置的IP地址自动生成的，也叫做自动发现的路由。比如路由器的一个网卡eth0配置了IP地址192.168.1.20/24，数据包的目标IP为192.168.1.30，那么将会配置到下面的一条路由项，我以Linux为例：
192.168.1.0/24 dev eth0  proto kernel  scope link
这个项中proto kernel以及scope link的含义就是内核自动发现的链路层路由。线缆两端只要不跨越三层设备，且配置同一个网络标识(即IP地址与掩码的按位与)的IP地址，就可以通过这个链路层路由通信，无需任何配置。不过如果你非要配置一个两端属于不同网段的IP地址，然后靠配置静态路由的方式来保证两边的互通，那谁也拦不住你。
        总的来讲，在IP网络中，链路层路由几乎总是数据包的最后一跳采用的路由，后面提到OSI模型时，我们就会知道OSI采用了另一种完全不同的方式处理最后一跳。
        因此，IP地址的编址方式实际上是与MAC地址对应的，它标识的是一块网卡所延伸出去的那条链路。之所以不直接使用网卡的MAC地址而引入一个IP地址，是因为IP地址在MAC地址上增加了逻辑含义，表现为以下几个方面：

1.屏蔽底层差异，统一操作接口

由于网卡类型各异，MAC地址的格式并不统一，甚至有些网卡根本就没有MAC地址的概念，只有类似设备序列号的概念。提供一个抽象的IP层，可以屏蔽掉这些差异，这也是分层模型中网络层的首要任务。以IPv4为例，其地址格式是统一且规整的。
        如果全世界所有的设备均安装以太网卡，统一为48位MAC地址，请接着看第2点和第3点。

2.层次化

MAC地址空间是平坦的(各个厂商的厂商编号根本就没有规律，网卡的出厂批次编号也不是按照寻址意义编码的，它们可能更看重维修和淘汰)，无法利用局部性原理进行汇聚寻址。而IP地址和前缀(即掩码)的组合可以对地址空间进行分层，将其组织成一棵32层的二叉树。在这棵树上执行最长前缀匹配即可精确寻址到每一个节点。起初的设计为分类IP地址，后来逐步被无类编址取代。这种层次化方式可以通过地址规划，路由汇聚等操作大大减少路由查找的开销，不然如果直接使用MAC地址寻址，则最好的方案也就是哈希查找了。

3.多重命名

一块网卡只能有一个MAC地址，但是如果逻辑上需要将一个物理网络分为多个逻辑网络呢？多个IP地址可以配置在同一个网卡上。
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IP地址的编址方法极其意义基本就是以上这些了，下面看下OSI模型的编址方案
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OSI模型的网络层编址方案彻底与链路层脱离一切关系。
        不管是NSAP还是NET，名称不重要，我把它们统称为NSAP，这就是OSI模型的网络层地址。与IP地址配置在网卡上不同，NSAP地址配置在主机(包括终端机，路由器等)上，典型情况下一台设备不管有多少块网卡，只有一个NSAP地址，在需要“多重命名”的环境，会有多个NSAP地址，但并不多见。因此OSI划分网络的方式如下：

你应该知道为什么IS-IS和OSPF的Area划分边界不同了吧。IS-IS的Area边界在链路上而非路由器接口。
        现在看一下OSI模型如何三层寻址。
        在中间网络，跟IP寻址几乎是一样的，NSAP地址虽然在结构上更加复杂，但是与IP地址拥有一致的特性，也是逻辑层次化，可以规划，汇聚的，路由算法IS-IS也如OSPF一样基于SPF算法，所不同的是下一跳寻址。IP网络是依靠的是ARP(仅限以太网链路)，而OSI则是采用了邻居发现协议。对于最后一跳寻址，IP网络依靠链路层路由用来寻址最后一跳，而OSI网络则是依靠ES-IS协议完成类似的事情。
        ES-IS也是几乎自动运行的，不需要任何配置。比较有意思的是，虽然与IP协议的最后一跳寻址不同，IPv6采用了OSI模型ES-IS的风格。IPv6针对端节点也有一个类似的自动配置协议，来无人干预自动配置其IPv6地址，在寻址最后一跳目的地时，不再使用ARP协议，而是采用了类似ES-IS的方式路由数据包。这是不是从侧面说明OSI模型的下一跳寻址方案比IPv4的ARP更加优越呢？
        本质上，ES-IS更像是一个下一跳寻址协议而不是一个路由协议。所有的终端主机(End-System，简称ES)会向路由器(简称IS)发送ESH报文，这样路由器就会采集到所有与之相连的端主机，同样，路由器会泛洪ISH报文，这样所有与之相连的端主机也就知道了路由器的存在极其配置。是不是很像IPv6的邻居发现和自动配置呢？

下一跳寻址

关于下一跳寻址，IP网络会更简单一些，由于IP地址在配置时已经与某个网卡接口有了关联，所以在路由查询得到下一跳之后，只需要在对应的接口发出询问即可，比如ARP协议就是干这个事情的。
        与IP网络不同的是，OSI网络解除了NSAP地址与网络接口的关联，所以不再知道该从哪个网卡接口发送询问解析下一跳，所以就需要独立的邻居发现协议来建立下一跳，网卡接口以及MAC地址之间的关联。这与IPv6非常类似...
        其实话不能这么说，应该是IPv6与OSI非常类似。难不成OSI是更合理的模型？虽然在实用性上TCP/IP胜利了，但是在下一代TCP/IP中，模型回归了...
        关于这个话题，我以我觉得比较酷的IPv6自动配置来结束本节，IPv6的自动配置可以在不需要类似DHCP协议的前提下实现自动配置IP地址，无需任何干预，只要上电开机即可：

(我当然知道链路本地地址，全局单播地址这类概念，只是我不明说，我希望能为IPv4找到一个这样的协议，而不套用任何IPv6的概念)

服务编址

IP网络中，服务体现在传输层，由以下的标识组成：

IP地址+协议号+端口号

。其中协议号区分了有连接服务(TCP)与无连接服务(UDP)，而端口号标识具体的服务进程，这是很容易理解的，因为几乎所有的网络程序都是这么写的，socket，bind，listen，accept已经被标准化。
        对于OSI网络，服务直接体现在网络层，由以下的标识组成：

CONP|CLNP+NSAP地址

。其中在网络层就已经区分了服务的类型，CONP面向连接，而CLNP则类似IP，无连接。NSAP地址结构比较复杂，本文不讨论，在这个NSAP地址中有一个组成部分，即最后一个字节，它叫NSAP selector，它标识了具体的服务进程，类似IP网络的端口号。对于路由器而言，显然这个字节的值为0。

总结：

TCP/IP模型的IP地址标识的是链路，OSI网络的NSAP地址标识的是设备，显然后者更合理？？

运营商为什么倾向于选用IS-IS

首先，我觉得这个问题不要一味的尝试从纯技术的角度去分析为什么，因为对于运营商而言，技术因素本来占据的份额就不多，这种问题应该从历史的发展角度去分析。
        虽然TCP/IP最终赢了OSI成了事实上的标准，但是这仅仅意味着TCP/IP在“全网”得以部署，这个“全网”有多大决定了路由要怎么配置！所以说两条线都很重要，其中一条线是TCP/IP在全网的部署，另外一条线则是“全网”规模的扩大。当网络规模扩大到一定规模的时候，动态路由才会派上用场。
        在上世纪80年代末到90年代初，TCP/IP模型(1983年出世)已经赢得了全网，但是网络规模尚不足以扩大到必须使用比较复杂的动态路由协议，这意味着OSPF这种复杂的协议并没有太大的吸引力，充其量只是RIP大行其道。现在说说IS-IS。
        IS-IS一开始是DEC开发的。在其部署的时候，TCP/IP正方兴未艾。IS-IS的目的很明确，是要替代RIP，这意味着网络规模已经变大了。等到TCP/IP意识到需要支持动态路由的时候，IS-IS已然成为了一个现成可用的东西，而此时的OSPF才刚刚起步。
        当网络达到需要专门的运营商这个实体才可运营的规模时，运营商迫切需要一种新的动态路由协议来替代复杂的人工配置以及RIP协议之前完成的工作，然而此时成熟的方案只有IS-IS，此时的OSPF尚不足以稳定运行，运营商唯一的选择几乎就是IS-IS。
        上学的时候，教科书上讲到IS-IS都是运营商使用，而企业会用OSPF...这也是有原因的。一般而言，运营商的生命周期比企业要久，其设备的更新换代周期也更长，更重要的是，运营商的竞争压力比企业要小很多，所以说运营商往往选用稳妥的方案，不求变而求稳，既然上世纪90年代已经接受了IS-IS，那么换成OSPF并不会显得有所收益。就这样，IS-IS至今为止依然是运营商的首选。
        不要说什么IS-IS比OSPF灵活可以无缝承载IPv6，地址消耗比IP要小，最小生成树计算代价要比OSPF高等等，基本都是为技术而技术，很多技术不考虑历史因素就完全想不通。类似的例子还有Intel和AMD的x86处理器架构之间的PK，很明显很多人都能看出AMD的架构更加先进，但最后赢的还是Intel，原因何在，只因为人们最初选择了Intel。还有以太网的成功，也不是技术上有多么牛逼，而是恰好可以满足需求，又恰好便宜到足以推动整个产业的扩张。

后记：

这个话题是一个比较古老的话题，感兴趣的人相信不会太多，中文社区论坛以及各个博客站点，知乎，微博上几乎没有人讨论这种话题，但相反在国外却有很多人关注。国内的圈子似乎只对Howto感兴趣，对Whyto丝毫无感...我常说，Howto是给学习中的人看的，而Whyto是帮人突破瓶颈的，是这样吗？