1 计算机网络基础

1.1 TCP/IP网络模型

原因：同一设备上的进程通信，有很多方式，比如管道、消息队列、共享内存、信号等方式

不同设备上的进程通信需要网络通信，因此提出了一套通用的网络协议。

包括：

（1）应用层（HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP）

应用层只需要专注于为用户提供应用功能，不用关心数据如何传输。

应用层工作在操作系统中的用户态，传输层及以下工作在内核态。

（2）传输层（TCP、UDP）

在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。

TCP 的全称叫传输控制协议（Transmission Control Protocol），大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如HTTP 应用层协议。TCP 相比 UDP 多了很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。

UDP 相对来说就很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，但它实时性相对更好，传输效率也高。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应用层上实现就可以，不过要实现一个商用的可靠 UDP 传输协议，也不是一件简单的事情。

应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度），就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment）。

（3）网络层

传输层可能大家刚接触的时候，会认为它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，事实上它并不负责。

也就是说，我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层（Internet Layer）。

（4）网络接口层

生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层（Link Layer）在 IP 头部的前面加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到网络上。

1.2 键入网址到网页显示原理

（1）解析URL，获得服务器和文件名称

（2）请求服务器里的文件资源，发出http请求消息

（3）查询服务器域名（DNS）对应的IP地址

（4）通过 DNS 获取到 IP 后，就可以把 HTTP 的传输工作交给操作系统中的协议栈。

（5）在 HTTP 传输数据之前，首先需要 TCP 建立连接，TCP 连接的建立，通常称为三次握手。

（6）TCP 模块在执行连接、收发、断开等各阶段操作时，都需要委托IP 模块将数据封装成网络包发送给通信对象。

（7）生成了 IP 头部之后，接下来网络包还需要在 IP 头部的前面加上 MAC 头部。

（8）网络包只是存放在内存中的一串二进制数字信息，没有办法直接发送给对方。因此，我们需要将数字信息转换为电信号，才能在网线上传输，也就是说，这才是真正的数据发送过程（网卡）。

（9）首先，电信号到达网线接口，交换机里的模块进行接收，接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号。

（10）网络包经过交换机之后，现在到达了 路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备。这一步转发的工作原理和交换机类似，也是通过查表判断包转发的目标。

（11）客户端收到了服务器的响应数据包后，同样也非常的高兴，客户能拆快递了！于是，客户端开始扒皮，把收到的数据包的皮扒剩 HTTP 响应报文后，交给浏览器去渲染页面，一份特别的数据包快递，就这样显示出来了！最后，客户端要离开了，向服务器发起了 TCP 四次挥手，至此双方的连接就断开了。

（HTTP => DNS => 协议栈 => TCP => IP => MAC => 网卡 => 交换机 => 路由器 => 服务器与客户端）

1.3 Linux系统如何收发网络包

1.3.1 网络模型

为了使得多种设备能通过网络相互通信，和为了解决各种不同设备在网络互联中的兼容性问题，国际标准化组织制定了开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），也就是OSI网络模型，该模型主要有 7 层，分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层。

每一层负责的职能都不同，如下：

应用层，负责给应用程序提供统一的接口；
表示层，负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式；
会话层，负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话；
传输层，负责端到端的数据传输；
网络层，负责数据的路由、转发、分片；
数据链路层，负责数据的封帧和差错检测，以及 MAC 寻址；
物理层，负责在物理网络中传输数据帧；

（应用层、表示层、会话层 =》应用层）

（数据链路层、物理层 =》网络接口层）

TCP/IP 网络模型共有 4 层，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层，每一层负责的职能如下：

应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、DNS、FTP 等;
传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等；
网络层，负责网络包的封装、分片、路由、转发，比如 IP、ICMP 等；
网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如网络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测，以及通过网卡传输网络帧等；

1.3.2 Linux网络协议栈

从上图的的网络协议栈，你可以看到：

应用程序需要通过系统调用，来跟 Socket 层进行数据交互；
Socket 层的下面就是传输层、网络层和网络接口层；
最下面的一层，则是网卡驱动程序和硬件网卡设备；

1.3.3 Linux接收网络包

网卡是计算机里的一个硬件，专门负责接收和发送网络包，当网卡接收到一个网络包后，会通过 DMA 技术，将网络包放入到 Ring Buffer，这个是一个环形缓冲区。

所以为了解决频繁中断带来的性能开销，Linux 内核在 2.6 版本中引入了 NAPI 机制，它是混合「中断和轮询」的方式来接收网络包，它的核心概念就是不采用中断的方式读取数据，而是首先采用中断唤醒数据接收的服务程序，然后 poll 的方法来轮询数据。

比如，当有网络包到达时，网卡发起硬件中断，于是会执行网卡硬件中断处理函数，中断处理函数处理完需要「暂时屏蔽中断」，然后唤醒「软中断」来轮询处理数据，直到没有新数据时才恢复中断，这样一次中断处理多个网络包，于是就可以降低网卡中断带来的性能开销。

软中断处理网络包

首先，会先进入到网络接口层，在这一层会检查报文的合法性，如果不合法则丢弃，合法则会找出该网络包的上层协议的类型，比如是 IPv4，还是 IPv6，接着再去掉帧头和帧尾，然后交给网络层。

到了网络层，则取出 IP 包，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发出去。当确认这个网络包要发送给本机后，就会从 IP 头里看看上一层协议的类型是 TCP 还是 UDP，接着去掉 IP 头，然后交给传输层。

传输层取出 TCP 头或 UDP 头，根据四元组「源 IP、源端口、目的 IP、目的端口」作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓冲区。

最后，应用层程序调用 Socket 接口，从内核的 Socket 接收缓冲区读取新到来的数据到应用层。

1.3.4 Linux发送网络包

发送网络包的流程正好和接收流程相反。

首先，应用程序会调用 Socket 发送数据包的接口，由于这个是系统调用，所以会从用户态陷入到内核态中的 Socket 层，Socket 层会将应用层数据拷贝到 Socket 发送缓冲区中。

接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出数据包，并按照 TCP/IP 协议栈从上到下逐层处理。

如果使用的是 TCP 传输协议发送数据，那么会在传输层增加 TCP 包头，然后交给网络层，网络层会给数据包增加 IP 包，然后通过查询路由表确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。

分片后的网络包，就会被送到网络接口层，在这里会通过 ARP 协议获得下一跳的 MAC 地址，然后增加帧头和帧尾，放到发包队列中。

这一些准备好后，会触发软中断告诉网卡驱动程序，这里有新的网络包需要发送，最后驱动程序通过 DMA，从发包队列中读取网络包，将其放入到硬件网卡的队列中，随后物理网卡再将它发送出去。

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