今天我們來聊聊網絡協議。

1. OSI模型

網絡協議是網絡中兩臺計算機之間傳輸數據的標準語言。各種計算機系統使用 OSI（Open Systems Interconnection）模型規定的標準相互通信。OSI 模型有七個抽象層，每個層都有不同的職責和協議。

下圖顯示了 OSI 模型中每一層的功能。每一層都為其上層提供一類功能，并由其下層為其提供服務。

應用層

應用層最接近終端用戶。大多數應用程序都位于這一層。我們從后端服務器請求數據，無需了解數據傳輸的具體細節。這一層的協議包括 HTTP、SMTP、FTP、DNS 等。

表現層

這一層處理數據編碼、加密和壓縮，為應用層準備數據。例如，HTTPS 利用 TLS（Transport Layer Security）實現客戶端與服務器之間的安全通信。

會話層

該層用于打開和關閉兩個設備之間的通信。如果數據量較大，會話層就會設置檢查點，避免從頭開始重新發送。

傳輸層

該層處理兩個設備之間的端到端的通信。它在發送方將數據分解成段，然后在接收方重新組裝。這一層有流量控制，以防止擁塞。這一層的主要協議是 TCP 和 UDP。

網絡層

這一層實現不同網絡之間的數據傳輸。它進一步將網段或數據報分解成更小的數據包，并使用 IP 地址找到通往最終目的地的最佳路由。

數據鏈路層

這一層允許在同一網絡的設備之間傳輸數據。數據包被分解成幀，這些幀被限制在局域網內。

物理層

這一層通過電纜和交換機發送比特流，因此與設備之間的物理連接密切相關。

與 OSI 模型相比，TCP/IP 模型只有 4 層。在討論網絡協議的層次時，必須明確上下文。

2. OSI 封裝

既然我們已經了解了每一層的職責，那就讓我們用下圖來總結一下數據傳輸過程。這就是所謂的封裝（encapsulation）和去封裝（decapsulation）。封裝是指在數據向目的地傳輸的過程中為數據添加報頭。解封裝會移除這些報頭，以獲取原始數據。

步驟 1：

當設備 A 使用 HTTP 通過網絡向設備 B 發送數據時，最初會在應用層添加一個 HTTP 報頭。

步驟 2：

在數據中添加 TCP 或 UDP 報頭。它在傳輸層被封裝成 TCP 段。報頭包含源端口、目的端口和序列號。

步驟 3：

然后在網絡層用 IP 報頭對這些段落進行封裝。IP 報頭包含源 IP 地址和目的 IP 地址。

步驟 4：

在數據鏈路層為 IP 數據報添加 MAC 報頭，其中包含源 MAC 地址和目的 MAC 地址。

步驟 5：

封裝幀被發送到物理層，并作為比特流在網絡上發送。

步驟 6-10：

設備 B 從網絡接收到比特流后，會啟動去封裝過程，這與封裝過程相反。報頭逐層去除，直到設備 B 可以訪問原始數據。

請注意，每一層都使用報頭來處理指令，而不需要解封上一層的數據。

3. 常用網絡協議

下面的動圖展示了常用的一些網絡協議及其使用場景。

HTTP

HTTP 是一種用于獲取 HTML 文檔等資源的協議。它是網絡數據交換的基礎，也是一種客戶端-服務器協議。

HTTP/3

HTTP/3 是 HTTP 的下一個重要修訂版本。它在 QUIC 上運行。QUIC 是一種新的傳輸協議，專為移動互聯網而設計。它依賴于 UDP 而不是 TCP，這使得網頁響應速度更快。VR 應用程序需要更多帶寬來迅速呈現虛擬場景的復雜細節，因此遷移到由 QUIC 支持的 HTTP/3 會從中受益。

HTTPS

HTTPS 擴展了 HTTP，并使用加密技術實現安全通信。

WebSocket

WebSocket 是一種通過 TCP 提供全雙工通信的協議。客戶端通過建立 WebSocket 從后端服務接收實時更新。與總是 "拉取 "數據的 REST 不同，WebSocket 可以 "推送 "數據。在線游戲、股票交易和消息應用程序等都利用 WebSocket 進行實時通信。

TCP

TCP 設計用于在互聯網上發送數據包，確保數據和信息在網絡上成功傳遞。許多應用層協議都建立在 TCP 協議之上。

UDP

UDP 直接向目標計算機發送數據包，無需先建立連接。UDP 通常用于對時間敏感的通信，因為這種情況下偶爾丟棄數據包比等待更好。語音和視頻應用通常使用此協議發送數據。

SMTP

SMTP 是一種標準協議，用于將電子郵件從一個用戶傳輸到另一個用戶。

FTP

FTP 用于在客戶端和服務器之間傳輸計算機文件。它有獨立的控制通道和數據通道連接。

我們來把這些網絡協議放到分布式系統中看看它們的典型應用。