重新認識網路 - OSI 七層模型
Introduction
OSI 七層模型是由 國際電信聯盟電信標準化部門 - ITU-T 與 國際標準組織 - ISO 於 1989 年制定的 開放式系統互聯模型
標準的部份目前我有看到兩個版本
-
ISO/IEC 7498- 1989 第一版 -
ISO/IEC 7498- 1994 第二版
每個版本的標準都包含若干個部份
- The Basic Model
- Security Architecture
- Naming and Addressing
- Management Framework
本次探討主題主要會是七層模型的部份，所以只要看 ISO/IEC 7498-1 就可以了
網路上我找不到官網的 spec, 只有找到其他備份網站的 第二版 規格 ISO/IEC 7498-1
或是可以參考另一個版本的 ITU-T Rec.X.200(1994E)(內容與 ISO/IEC 7498-1 完全一樣，他有多個 release)
這邊強烈建議搭配 RFC 1122 服用
比如說 header 那些的定義其實都是寫在 RFC 1122 裡面的，網路上的資料多數沒有標明清楚
事實上 ISO/IEC 7498-1 只有寫說這一層應該要做哪些事情而已
這邊要特別注意的是，模型只是 參考用的
我一直以為說 OSI 七層模型是強制規定，但實際上並不是的
OSI 7 layer Model
Application Layer - 7
應用層提供了軟體跨網路之間溝通的 interface(唯一橋樑)
兩台機器之間的溝通(i.e. 資料交換如網頁伺服器)需要使用 應用層協議 以及 表達層 的服務
許多的協議都是跑在應用層之上
例如 HTTP, HTTPS, Telnet SSH … etc.
Presentation Layer - 6
表達層負責將資料轉換為 通用格式, 使的 application layer 能看懂資料
一開始看到這我有點看不懂這是啥意思 傳輸用的不都是 binary 嗎？
理論上只要 decode 不就可以看懂了
後來我想到 grpc 的 message encoding
它實際上並不是一般的 encode, 他有自己的一套方法(ref: Encoding)，而如果這些訊息沒有得到適當的 decode 是沒辦法讀出正確的資訊的
所以這就是 presentation layer 實際上在處理的事情
有關 gRPC 的相關介紹，可以參考 網頁程式設計三兩事 - gRPC | Shawn Hsu
Session Layer - 5
會議層主要的目的是維持溝通雙方的連線，確保資料交換的過程
Transport Layer - 4
傳輸層顧名思義，它為上層提供了一個可靠性傳輸的方式，讓上層不用擔心網路連線以及 routing 等等的問題
其中傳輸層的資料格式為 datagram(PDU)
通常在 TCP 裡面會稱為 segment, UDP 則是稱呼為 datagram
注意到這裡的 datagram 跟 RFC 1122 §1.3.3 裡面提到的 IP datagram 是不一樣的東西
這裡的 datagram 算是一個統稱, 可以參考 RFC 1594 §13
A self-contained, independent entity of data carrying
sufficient information to be routed from the source
to the destination computer without reliance on earlier
exchanges between this source and destination computer and
the transporting network.
常見的協議如 TCP 以及 UDP 都是跑在傳輸層之上的協議
詳細的討論可以參考 重新認識網路 - 從基礎開始 | Shawn Hsu
Network Layer - 3
網路層主要是作 routing 的功能
網際網路的連線主要連線是由數個開放網路的中繼站所組成
你可以做一個簡單的測試, 使用 traceroute 測試本機連線到 github.com 中間會經過多少 relay
1
2
$ sudo apt install traceroute -y
$ traceroute github.com
預設跑出來的結果是只有 ip 以及域名解析，但我想要知道 ip 的所在地(i.e. 國家)
所以我參考 Associate IP addresses with countries [closed]，使用 MAXMIND 做查詢
它大概長這樣
| IP address | Location |
|---|---|
| 60.199.4.173 | Taiwan,Asia |
| 52.95.218.48 | Ashburn,Virginia,United States,North America |
| 52.93.95.79 | United States,North America |
| 52.95.31.222 | Tokyo,Tokyo,Japan,Asia |
| 52.93.73.224 | United States,North America |
上表你可以發現，它經過了至少 3 個地方(Taiwan, US, Japan)
你想哦 世界上開放網路的中繼站這麼多，他要怎麼知道怎麼走？
為什麼 traceroute 出來不是走 歐洲再到美國 而是走 日本到美國？
所以 network layer 會負責篩選出合適的路徑進行最佳化，避免你繞了地球走了三圈浪費網路資源
為了要找出最佳路徑，network layer 會帶一些重要的路由資訊
網路層的傳輸單位為 packet(PDU)
他是由 ip header + 資料組成
其中資料為真正要傳輸的 data
ip header 要帶的東西包含 source address, destination address, length, metadate(routing 相關) 以及 hop limit
hop 這個東西簡單講就是，經過的中繼站點個數, 它也可以用來粗略的估計兩台機器間的距離(路由個數)
以上述圖片來說，hop 的數值為 2(因為經過兩台 router)
那有哪些設備是跑在網路層的呢？
layer 3 switch 以及 IP 分享器 都是網路層的設備
除此之外，Internet Protocol IP 也是跑在網路層的上的協議
詳細的討論可以參考 重新認識網路 - 從基礎開始 | Shawn Hsu
Data Link Layer - 2
資料連結層為了提供 connectionless-mode 以及 connection-mode，所以它必須提供了一系列的連線建立、維護
而資料連結層會對實體層發出的錯誤訊號進行偵測以及 嘗試修正
資料連結層的傳輸單位為 frame(PDU)
他是由 link-layer header + packet(layer 3 SDU)
其中 link-layer header 的資料就跟 MAC 子層的內容是一樣的
資料連結層由兩個子層所構成 - LLC 以及 MAC
邏輯鏈路控制 Logical Link Control - LLC
LLC 子層在做的事情就是提供一個 interface, 讓上層可以不用管底層網路連接類型
而它還有一個更重要的功能是 multiplex(嘿對就是邏輯設計課堂教的 multiplexer 多工器)
你說為什麼這裡需要用到多工器
試想你平常在用電腦，你的網頁需要連網，line 需要連網，搞不好你還連了 NAS
是不是這些東西都需要用網路？ 理論上你電腦只有一張網卡，那當然不可能只能由一個程式霸佔網路對吧
所以你需要多工器，為每一個獨立運行的程式提供網路服務
每個 process 都能夠在一定的時間內分到網卡的資源(切換 logical link)
媒介存取控制 Media Access Control - MAC
logical link 的排程處理已經交由 LLC 子層處理了，那萬一我想要連線的對象不一樣呢？
假設你的電腦目前透過有線的方式連接了遠端伺服器 server1，以及透過無線的方式連接了你的另一台 server2
它會長的像下面這樣子(示意圖)
ref: Secure your Cloud Computing Architecture with a Bastion
很明顯你的 server1 以及 server2 的實體連線路徑並不相同
因此當你想要操作 server2 的時候，LLC 將網卡使用權交給連接 server2 的進程，同理他的底層連線路徑也需要做切換(不然你會連到別台機器)
所以切換 transmission medium(i.e. 實體連線路徑) 是 MAC 子層要做的事情
同時它還會將一些必要資訊塞入(e.g. MAC address, 必要 padding 以及 Frame Check Sequence - FCS)
除以上提到的功能之外，資料連結層也針對 區域網路 提供了 routing 的功能
layer2 交換器(記憶 MAC address 進行資料交換)是跑在資料連接層上面的設備
Physical Layer - 1
實體層定義了一種可以在多台機器間啟用、維護的物理連接，可以在這個連接上面傳輸 0, 1 位元資料(i.e. bits)
實體層傳輸的單位為 bit(PDU), 它通常為 一個 bit 或 一串 bits
那麼有哪些設備是跑在實體層的呢？
網路線(RJ45)、網路卡以及集線器
看了基本的 OSI 七層模型，想必你對網路基本架構原理有認識了
這裡有幾張圖能夠幫助你更了解每層 layer 之間的關係
Common Functionality in OSI Model
基本上撇除最高的 3 層(application, presentation and session layer)
其他的 layer 都擁有這以下功能
- 偵錯以及除錯
- 如果有發現錯誤，能解決的就會在該層解決，如果沒有，它就會將 error 往上送(propagate)
- 固定傳輸順序(sequential order)
- 傳輸資料時一定保證是依照一定的順序送資料(這樣才能確保資料讀取正確)
- 一般來說，網路之間傳遞資料是使用 Big endian(詳細可以參考 Endian)
Endian
Endian 指的是資料在記憶體中的排列順序
注意到 Endian 並不是受限於作業系統，而是受限於 CPU 架構
它一共分為兩種
Big-endian
big-endian 為 MSB 在 低位置 的排列方法
big-endian 多數用於網路資料傳輸，或者是少數的系統中如 Solaris(因為 Solaris 用的是 big-endian 的 CPU)
Little-endian
little-endian 為 LSB 在 低位置 的排列方法
little-endian 多數用於現今系統當中(像是我的 CPU 架構就是 little-endian)
但並不是所有系統都是 little-endian, 實際情況還是要進行確認
如果是 linux 系統你可以用以下指令進行確認
1
2
3
$ echo -n I | od -to2 | head -n1 | cut -f2 -d" " | cut -c6
// 0: big-endian
// 1: littel-endian
ref: How to tell if a Linux system is big endian or little endian?
這裡做個簡單的比較讓你清楚的看懂他們之間的差別
| Big-endian | Little-endian |
|---|---|
 |
 |
那麼要如何判斷高位置以及低位置？
記憶體的位置我們通常用 16 進位表示(hex) 例如 0x12345678
64 位元的 CPU 可以定址 $2^{64} - 1$ 這麼多空間, 它可以表示從 0x00000000 到 0xFFFFFFFF
我們說 0x00000000 是低位置，0xFFFFFFFF 是高位置
high, low memory 實際上還有別的意思, 是關於 kernel 對記憶體的分配(High memory)
有機會會針對這個主題寫一篇來探討
MSB and LSB
在二進位當中我們常常需要描述特定位元
其中又以 MSB, LSB 最常被提到
- MSB - Most Significant Bit:
- 在一個長度為 n 的二進位數字下，在
第 n - 1 位上的數字被視為是 MSB 因為它是最重要的 - 因為少了這個 bit 數字就跟原本的天差地遠了
- 在一個長度為 n 的二進位數字下，在
- LSB - Least Significant Bit:
- 同理，只是他是在
第 0 位的數字 - 因為少了它也不會對結果造成太大影響
- 同理，只是他是在
直接上圖比較好懂
Will Endian Effect MSB?
既然 MSB 代表的是第 n - 1 位的數字，那 endian 會不會影響 MSB 的數值?
假設 num = 0x12345678
那麼他在記憶體中的表示法為下列兩種
| Endian | Value | MSB |
|---|---|---|
| big | 0x 78 56 34 12 | 0x7 |
| little | 0x 12 34 56 78 | 0x1 |
上述 value 表示法，左邊為 高位置，右邊為 低位置
上述 MSB 為求方便辨識，取一個 byte 表示
那他們在不同的 endian 下，MSB 就不一樣了對吧！
答案是 對但也不對
事實上 endian 是一種表示法而已，當 endian 改變的時候，MSB 確實會改變
但不變的是，MSB 依舊是表示 第 n - 1 位 的數值
PDU and SDU
在 computer network layer 裡傳輸的資料，通常稱為 Protocol Data Unit - PDU
PDU 的內容由使用者資料以及 protocol control 相關資料所組成
在上面 OSI 七層我們討論的 frame, packet, datagram 都是被稱為 PDU
考慮 OSI 七層模型
假設，當我們從 network layer 將資料往下傳給 data link layer 的時候
資料將會從 packet 變成為 frame
但是 data link layer 面對新到來的資料 並不認識，它必須透過所謂的 encapsulation(像是增加 header field) 將資料轉換為我認識的格式
而這個新來不認識的資料稱之為 Service Data Unit - SDU
他們之間的關係就是 舉例來說
| layer | data | type |
|---|---|---|
| transport | packet0 | packet0  PDU |
| network | packet1 | packet0 SDU packet1 PDU(ip address, length) |
| data link | packet2 | packet1 SDU packet2 PDU(Mac address, FCS) |
| physical | packet3 | packet2 SDU packet3 PDU |
PDU 與 SDU 的關係是雙向的
亦即他的收送資料的封裝拆解是對稱的
-
sender: 送資料需要一層一層的 將資料加上各種 metadata(這些 metadata 又稱作 Protocol Control Information - PCI) -
receiver: 收資料的時候需要一層一層的 將資料扒開
IP fragmentation
參照上面 PDU 與 SDU 的關係
我們不難推論出最後 physical layer 的資料會是最龐大的對吧(因為這層它塞了最多的東西)
在網路的世界裡，傳送封包(data packets)是有大小限制的, 這個限制稱作 Maximum Transmission Unit - MTU
如果說因為你在新增 header 的過程中，讓整體的封包變得超出 MTU 的大小，那就必須要將封包分批送
而這個分批次送的概念稱作 IP fragmentation
MTU 的預設大小可以參考下表(完整的可以參考 常見的媒體的 MTU 表)
| Network Type | MTU size(bytes) |
|---|---|
| Ethernet | 1500 |
| IEEE 802.2/802.3 | 1492 |
Transmission Medium
Transmission medium 的定義是 一條由 sender 以及 receiver 建立傳輸資料的溝通渠道
在資料傳輸的領域中泛指一條傳輸的實體通道
這個通道可以將資料(i.e. bits) 從 sender 經由通道傳送給 receiver
資料傳輸共分為兩大類
Guided Media
又稱作 bounded media, 簡單來說你可以理解成 有線傳輸
常見的 RJ45 網路線是屬於 guided media
Unguided Media
又稱作 unbounded media, 你可以理解為 無線傳輸
它可以經由空氣、水進行傳輸
主要的好處就是不用多那一條線
常見的像是 無線電波(radio wave) 以及 微波(micro wave)
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