网络协议驱动互联网

在分布式系统中，数据通过各种网络协议在网络中传输。作为应用程序开发者，这往往在问题出现之前似乎是一个黑盒子。

在本文中，我们将解释常见网络协议的工作原理，它们在分布式系统中的应用以及我们如何解决常见问题。后续还会介绍一些常见的面试问题，例如：

在输入网址到浏览器时会发生什么？
什么是TCP三次握手？
TCP的time_wait状态是什么意思？
HTTP 1/2/3是什么？
为什么HTTP 3使用UDP？
HTTPS是如何工作的？
为什么UDP被认为是“不可靠”的？

让我们首先了解网络协议的使用情况。

互联网和OSI模型

互联网连接了世界各地的各种计算设备。我们可以从下面的图表中大致了解。假设我们从智能手机或笔记本电脑访问一个网站，它连接到一个移动网络基站。基站连接到路由器，然后通过互联网服务提供商（ISP）访问互联网。数据包被转发到本地ISP，然后到达托管网站的网络。一旦数据包到达公司网络，它们经过链路层交换机并到达适当的服务器。

路由器和链路层交换机都是数据包交换机，它们的工作是转发数据包。区别在于，路由器通常用于网络核心连接多个网络，而链路层交换机用于访问网络（物理连接终端系统和边缘路由器的网络），在单个网络中连接多个设备。

为什么我们需要网络协议？互联网连接的设备需要使用它们可以理解的语言进行通信。各种计算机系统使用OSI（开放系统互连）模型规定的标准相互通信。OSI模型有七个抽象层，每个层都有独特的职责和协议。

下图显示了OSI模型中各层的作用。每个中间层为上面的层提供一类功能，并由下面的层提供服务。

应用层

应用层最接近最终用户。大多数应用程序位于此层。我们向后端服务器请求数据，无需了解数据传输的具体细节。此层的协议包括HTTP、SMTP、FTP、DNS等，我们稍后会详细介绍它们。

表示层

该层处理数据编码、加密和压缩，为应用层准备数据。例如，HTTPS使用TLS（传输层安全）在客户端和服务器之间进行安全通信。

会话层

该层在两个设备之间建立和关闭通信。如果数据量较大，会话层设置检查点以避免从头重新发送。

传输层

该层处理两个设备之间的端到端通信。它在发送端将数据分割为段，并在接收端重新组装它们。此层具有流量控制以防止拥塞。在该层中的关键协议是TCP和UDP，我们稍后会讨论它们。

网络层

该层实现不同网络之间的数据传输。它将段或数据报进一步分割为较小的数据包，并使用IP地址找到到达目标的最佳路由。这个过程称为路由。

数据链路层

该层允许在同一网络上的设备之间进行数据传输。数据包被分割为帧，并限制在本地区域网络中。

物理层

该层通过电缆和交换机发送比特流，因此与设备之间的物理连接密切相关。

与OSI模型相比，TCP/IP模型只有4层。在讨论层次结构时，重要的是要指定上下文。

现在我们了解了每个层的职责，让我们通过以下图表总结数据传输过程。这被称为封装和解封装。封装是在数据朝向目的地的过程中添加头部信息。解封装则是去除这些头部以恢复原始数据。

步骤1：当设备A使用HTTP通过网络向设备B发送数据时，应用层会添加HTTP头部。

步骤2：在传输层，TCP或UDP头部会添加到数据中。数据会在传输层被封装成TCP段。头部包含源端口、目标端口和序列号。

步骤3：接下来，段会在网络层被封装成IP头部。IP头部包含源IP地址和目标IP地址。

步骤4：在数据链路层，MAC头部会添加到IP数据报中，其中包含源MAC地址和目标MAC地址。

步骤5：封装后的帧会发送到物理层，并以比特流的形式通过网络发送。