对于我们当中那些挑剔的人来说(没错,我发现你了),主机(host) 将是你在网络中遇到的另一个术语。我将把它定义为一种需要具有 IP 地址的节点。所有的主机都是节点,但是并不是所有的节点都是主机。如果你不赞同,带着愤怒 Tweet 我吧。 Show 链路链路(link)连接网络中的节点,它可以是有线的,比如以太网,也可以是无线的,比如 WiFi。 链路要么是点对点的(节点 A 与节点 B 相连),要么是多点的(节点 A 与节点 B 和节点 C 相连)。 我们也可以在谈论信息传输时将其描述成一对一与一对多的关系。 协议协议(protocol)是一组相互商定的规则,允许网络中的两个节点交换数据。
有线和无线链路都可以有协议。 虽然任何人都可以创建协议,但是基于因特网组织(例如,因特网工程任务组(IETF,Internet Engineering Task Force))发布的标准的协议通常是最被广泛采纳的。 网络网络(network)是一组计算机、打印机或任何其它想要共享数据的设备的通用术语。 网络的类型包括:LAN、HAN、CAN、MAN、WAN、BAN 或 VPN。你觉得我只是随便用 can 一词来押韵吗?才不是呢——这些都是真实的网络类型。从这里了解更多。 拓扑拓扑(topology)描述的是节点和链路如何在网络配置中组合在一起,通常用图描述。这里是一些常见的网络拓扑类型: 来源 + 了解更多网络拓扑网络由节点、节点之间的链路和管理节点间数据传输的协议组成。 无论网络的规模和复杂度如何,你都可以通过学习 OSI 模型和七层网络来理解所有在计算机网络中发生的事情。 什么是 OSI 模型?OSI 模型由七层网络组成。 首先,层(layer)是什么? 来源噢,巢穴(lair)。 不,层——而不是 巢穴。这里没有龙。 层是对网络上的功能和行为进行分类和分组的一种方式。 在 OSI 模型中,层的组织结构从最具形态和最物理到不太有形,虚拟但更接近最终用户。 每一层都 抽象 低层的功能,直到最高层为止。最终用户是看不到所有其它层的所有细节和内部运作的。 如何记住所有层的名字呢?很简单。
要牢记:虽然某些技术(比如协议)在逻辑上比起其它层来说可能“属于”某一层,但并非所有的技术都完全契合 OSI 模型中的单个层。例如,以太网(Ethernet)、802.11(Wifi)和地址解析协议(ARP,Address Resolution Protocol)程序在不只一层上工作。 OSI 只是一个模型,一个工具,并不是一组规则。 OSI 第一层第一层是 物理层。第一层中有很多技术——从物理网络设备、布线到电缆如何连接到设备之间的一切。另外,如果我们不需要电缆,那么信号的类型和传输方式是什么(例如,无线宽带)。 我没有列出第一层中的各种技术,而是为这些技术创建了一个更大的分类。我鼓励读者进一步学习每一种分类:
第一层的数据单元是比特(bit)。 比特是可传输数字信息的最小单元。比特是二进制的,要么为 0 要么为 1。字节(byte)由八个比特组成,用于表示单个字符,比如字母、数字或符号。 根据硬件设备支持的数据速率(传输速率,每秒或每毫秒的比特数量),比特被发送到硬件设备或从设备发出。这个过程是同步的,从而保持单位时间内发送和接收比特的数量相等(这被称为比特同步)。比特的传输方式由信号的传输方式决定。 节点可以发送比特、接收比特,或者收发兼顾。如果节点只能收或只能发,那么该节点采用的就是单工模式。如果节点既可以收又可以发,那么该节点采用的就是双工模式。如果一个节点可以同时进行收发操作,那么它就是全双工的,否则就是半双工的。 最初的以太网是半双工的。如果采用了正确的设备,现在也可以选择全双工的以太网。 如何排查第一层中的问题这里是第一层中要当心的一些问题:
如果第一层出了问题,第一层以上的任何东西都不会正常工作。 TL;DR第一层包含的是基础设施,它让网络通信变成可能。 它定义了用于激活、维护和停用网络设备之间的物理连接的电气、机械、程序和功能规范。——来源 有趣的事实:深海通信电缆在全世界传输数据。这张地图会让你大开眼界:https://www.submarinecablemap.com/。 因为你已经坚持到这儿了,所以送你一只考拉: 来源OSI 第二层第二层是 数据链路层。它定义了数据的传输格式、可以在节点间流动的数据量大小、数据流动可以持续的时长,以及在流中检测到错误时应采取的措施。 使用更加正式的技术术语描述如下:
第二层内有两个截然不同的子层:
第二层的数据单元是 帧(frame)。 每一帧都包括一个帧头、主体和一个帧尾:
帧的大小通常有一个最大值,这个值被称为最大传输单元(MTU,Maximum Transmission Unit)。巨型帧的大小超过了标准的 MTU,从这里了解更多有关巨型帧的信息。 如何排查 OSI 第二层中的问题这里是第二层中要当心的一些问题:
TL;DR数据链路层允许局域网内的各节点彼此相互通信。这一层建立了线路规划、流量控制和错误控制的基础。 OSI 第三层第三层是 网络层。 就是在这里,我们通过路由器在网络间或跨网发送信息。不仅仅是节点到节点的通信,我们现在还可以进行网络到网络的通信了。 路由器是第三层的主力——它们是在第三层中必不可少。路由器跨越多个网络移动数据包。 路由器不仅通过连接到网络服务提供商(ISPs,Internet Service Providers)提供因特网访问,还跟踪着所在网络中的一切(记住交换机跟踪的是一个网络中所有的 MAC 地址),它所连接的其它网络,以及在这些网络中路由数据包的不同路径。 路由器将所有的地址和路由信息都保存在路由表中。 这里是一个简单的路由表示例: 图片来源 + 从这里了解更多有关路由表的信息第三层的数据单元是 数据包(data packet)。通常,每个数据包都包含一个帧 加上 一个 IP 地址信息的包装。换句话说,帧被第三层的地址信息封装了。 数据包中传输的数据有时也被称为 负载(payload)。每个包都拥有到达目的地所需的一切,但是它能不能成功抵达就是另外一回事儿了。 第三层上的传输是无连接的、尽力而为的——除了将流量发往它应该去的地方,它们不会做任何事。更多与数据传输有关的协议在第四层。 节点一旦连接到因特网,它就会被赋予一个因特网协议(IP,Internet Protocol)地址,它看起来要么像 172.16.254.4(IPv4 地址),要么像 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334(IPv6 地址)。路由器在它们的路由表中使用 IP 地址。 IP 地址通过地址解析协议(ARP,Address Resolution Protocol)与物理节点的 MAC 地址相关联,ARP 用节点对应的 IP 地址解析 MAC 地址。 ARP 通常被认为是第二层的一部分,但是由于 IP 地址在第三层以下都不存在,所以 ARP 也是第三层的一部分。 如何排查第三层中的问题这里是第三层中要当心的一些问题:
很多第三层问题的答案都要求使用像 ping、trace、show ip route 或 show ip protocols 这样的命令行工具。在这里了解更多与有关一至三层问题排查的信息。 TL;DR第三层允许节点连接到因特网并跨越不同网络发送数据。 OSI 第四层第四层是 传输层。在这里,我们会深入探讨了两个节点之间连接的具体细节,以及信息是如何在它们之间进行传输的。第四层建立在第二层的功能之上——线路规划、流量控制和错误控制。 这一层也负责数据包的分段,或者说数据包如何被拆分成小片并发往整个网络。 不像上一层,第四层也理解整个消息,而不只是每个独立的数据包的内容。根据对整个消息的理解,第四层不再一次性发送所有数据包,从而管理网络拥塞。 第四层的数据单元有好几个不同的名字,对于 TCP 而言,数据单元是数据包。对于 UDP 而言,包被称为数据报(datagram)。为了简化,我将只使用数据包这个术语。 第四层中最有名的两个协议是传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)和用户数据报协议(UDP,User Datagram Protocol)。 TCP 是一个面向连接的协议,优先保证的是数据的质量而不是速度。 TCP 显式地与目的节点建立连接,并要求在数据传输时进行源节点与目的节点之间的握手操作。握手能够确认数据已经被接收。如果目的节点没有收到所有的数据,TCP 就会要求进行重传。 TCP 也会确保数据包以正确的顺序交付或者重组。从这里了解更多有关 TCP 的信息。 UDP 是一个无连接的协议,优先保证速度而不是数据的质量。UDP 不要求进行握手,这也正是它被称为无连接的原因。 因为 UDP 不必等待确认,所以它可以以更快的速度发送数据,但并非所有的数据都能成功传输,我们也不会知道哪些数据传输失败了。 如果信息被拆分成多个数据报,除非这些数据报都包含一个序列号,否则 UDP 无法确保以正确的顺序重组数据包。从这里了解更多有关 UDP 的信息。 TCP 和 UDP 都将数据发往网络设备上的特定端口,这些网络设备都有自己的 IP 地址。IP 地址和端口号的组合被称为套接字(socket)。 从这里了解更多有关套接字的信息。 从这里和这里了解 TCP 与 UDP 这两个协议之间的更多差异和相似之处。 如何排查 OSI 第四层中的问题这里是第四层中要当心的一些问题:
TL;DR传输层通过将消息分割成多个数据包提供端到端的消息传输,支持面向连接的和无连接的通信。 OSI 第五层第五层是 会话层,负责建立、维持和终止会话。 会话建立在两个网络应用之间,是双方商定好的连接。注意,我们没有说两个节点,我们已经离开节点了,它们是第四层中的东西。 开玩笑的,我们还是有节点的,但是第五层不需要保留节点的概念,因为它是之前各层抽象出来的(关心)的概念。 所以会话是一个建立在两个特定的用户应用之间的连接,其中有一些重要的概念需要考虑:
会话持续的时间可以非常短,也可以非常长,有时会话也可能会失败。 根据所采用的协议,会话可能会启动各种故障解决程序。根据所使用的应用程序/协议/硬件,会话可能支持单工,半双工或全双工模式。 第五层中协议的例子有网络基本输入输出系统(NetBIOS,Network Basic Input Output System)和远程过程调用协议(RPC,Remote Procedure Call Protocol)等等。 从这里往上(第五层及以上),网络关注的是与用户应用程序建立连接以及如何向用户展示数据。 如何诊断 OSI 第五层中的问题这里是第五层中需要当心的一些问题:
TL;DR会话层负责初始化、维持并终止两个用户应用程序之间的连接。它响应来自表示层的请求,并向传输层发起请求。 OSI 第六层第六层是 表示层,负责数据的格式,比如字符编码与转换,以及数据加密。 托管用户应用程序的操作系统通常包含第六层中的程序,这个功能并不总是被网络协议实现。 第六层确保第七层中的用户程序可以成功地消费数据,当然还有最终数据的展示。 有三种数据格式化方法需要注意:
从这里、这里还有这里了解有关字符编码的更多信息。 加密:SSL 或 TLS 加密协议位于第六层。这些加密协议为网络上的节点提供身份认证和数据加密功能,帮助确保传输的数据抵御恶意用户的攻击。TLS 是 SSL 继任者。 如何诊断 OSI 第六层中的问题这里是第六层中需要当心的一些问题:
TL;DR表示层负责格式化与加密数据。 OSI 第七层第七层是 应用层。 顾名思义,这一层最终负责支持用户程序使用的服务。应用程序包括安装在操作系统中的软件程序,比如因特网浏览器(例如 Firefox)或文字处理程序(例如 Microsoft Word)。 应用程序可以在后台执行专门的网络功能,也可以要求第七层中专门的服务。 例如专门创建电子邮件程序,它在网络上运行并利用第七层中网络功能(比如电子邮件协议)。 应用程序也可以控制用户交互,比如安全检查(例如 MFA)、识别两名参与者的身份、初始化信息交换等。 这一层中运行的协议包括文件传输协议(FTP,File Transfer Protocol)、安全壳协议(SSH,Secure Shell)、简单邮件传输协议(SMTP,Simple Mail Transfer Protocol)、因特网消息访问协议(IMAP,Internet Message Access Protocol)、域名服务(DNS,Domain Name Service)和超文本传输协议(HTTP,Hypertext Transfer Protocol)。 虽然这些协议中的每一个都服务于不同的功能,运行的方式也各不相同,但从较高的层次看,它们都促进了信息的交流。 如何诊断 OSI 第七层中的协议这里是第七层中需要当心的一些问题:
TL;DR应用层拥有用户应用程序运行所需的服务和功能,不包括应用程序本身。 结论我们第一层中出现的小考拉已经长大了。 学习检查——你能给考拉化妆吗? 没有考拉? 好吧——那就回答这些问题。我保证,这是第二好的选择:
恭喜!你离理解我们称之为“因特网”的这个宏大实体又进了一步。 学习资源很多非常聪明的人已经写了有关 OSI 模型或特定层的整本书。我鼓励读者阅读 O'Reilly 出版的有关该主题的书,或者网络工程方面的书籍。 这里是我撰写本文时用到的一些资源:
关于我Chloe Tucker 是位于俄勒冈州波特兰的一名艺术家和计算机科学爱好者。她以前是一名教育工作者,一直在寻找学与教,技术与艺术的交集。你可以通过 Twitter @_chloetucker 与她联系,还可以访问她的网站 chloe.dev。 |