计算机网络-小林coding-基础篇

本系列笔记为作者在跟随小林coding学习的时候做的笔记。感谢小林大大。加上自己的笔记

TCP/IP 网络模型有哪几层？

TCP/IP 网络分 4 层：应用层，传输层，网络层和网络接口层

ISO为7层，传统网络架构为5层，将数据链路层的物理层分离了出来单独作为一层。

传统网络分层为5层：应用层，传输层，网络层，数据链路层和物理层

附上网络协议层级图

键入网址到网页显示，期间发生了什么

HTTP

浏览器解析 URL字符串: 协议类型://域名或者IP:端口号/文件路径

端口号省略时默认是协议对应的默认端口，比如http是80

没有路径名则访问index.html或default.html

根据这些信息生成 HTTP 请求消息

DNS查询

应用层，传输层，网络层和网络接口层发送之前需要查询服务器域名对应的 IP 地址。

域名由.分割，越靠右的位置表示其层级越高。域名的层级关系类似一个树状结构：

• 根 DNS 服务器（.）
• 顶级 DNS 服务器（.com）
• 权威 DNS 服务器（server.com）

微信公众号 DNS解析的具体过程

首先是查询浏览器缓存和操作系统缓存以及host解析，没查到再进行dns域名解析

域名解析的工作流程

1. 客户端发出 DNS 请求给本地设置的 DNS 服务器地址
2. 本地域名服务器查询缓存，找到 www.server.com，则直接返回 IP 地址。否则本地 DNS 会去问它的根域名服务器
3. 根 DNS 返回给本地域名服务器 .com 顶级域名服务器地址
4. 本地域名服务器和返回的服务器地址重复2，3步，直到找到权威域名服务器。
5. 权威域名服务器直接返回IP给本地域名服务器
6. 本地域名服务器将IP返回给客户端

通常客户端到域名服务器是不可靠无连接的UDP通信，域名服务器之间使用可靠有连接的TCP通信进行迭代查询

操作系统协议栈

获取 IP 后，操作系统中的协议栈处理和发送数据包（传统网络架构中的传输层到数据链路层。物理层由网卡驱动接管）。

应用程序（浏览器）通过调用 Socket 库，来委托协议栈工作。

TCP

源端口号和目标端口号寻址

包的序号解决包乱序的问题

状态位：改变协议状态。

窗口大小做流量控制

协议规定了自己的拥塞控制行为

TCP 传输数据之前，要先三次握手建立连接

查看 TCP 的连接状态：netstat -napt

MSS：TCP包载荷的最大长度

MTU：一个IP包的最大长度，一般为1500字节

IP

源地址 IP 和 目标地址 IP

传输层协议的协议号

路由数据包时根据路由表规则，来判断哪一个网卡作为源地址 IP

route -n 命令查看当前系统的路由表（推荐ip系列的命令 ip routes）

路由数据包流程：路由表从上往下将包目的ip和掩码与运算，结果和目的网段相同就匹配上，使用匹配的网卡（端口）进行转发。通常最后一个条目的目的网段和子网掩码都是0.0.0.0，称为默认网关，当上面的都不匹配的时候就发送到这个网卡接口，该条目的Gateway就是默认网关ip地址。发送出数据包时，当Gateway为0.0.0.0时表示该网段跟主机是直连的，链路层将目的ip对应的MAC作为链路层包头的MAC，否则使用Gateway 的MAC。

MAC

MAC 包头里需要发送方 MAC 地址和接收方目标 MAC 地址，用于两点之间的传输

MAC 包头的协议类型只使用：0800 ： IP 协议；0806 ： ARP 协议

发送方的 MAC 地址是在网卡生产时写入到 ROM 里的，只需要将这个值读取出来写入到 MAC 头部。

接收方的 MAC 地址需要 ARP 协议来获取。

ARP 协议会在以太网（局域网）中广播ip地址，接收到回应后将MAC写入ARP缓存（缓存时间为几分钟）

发包时：

• ARP 缓存已经保存了对方的 MAC 地址，直接使用 ARP 缓存中的地址。
• ARP 缓存中不存在对方 MAC 地址时，发送 ARP 广播查询。

arp -a查看 ARP 缓存的内容

网卡

我们需要将数字信息转换为电信号，才能在网线上传输，由网卡负责。网卡驱动程序控制网卡。

网卡驱动获取网络包之后，会将其复制到网卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。

• 起始帧分界符是一个用来表示包起始位置的标记
• 末尾的 FCS（帧校验序列）用来检查包传输过程是否有损坏

交换机

将网络包原样转发到目的地。也称为二层网络设备（即传统网络架构中的数据链路层，不涉及网络层及以上数据包的修改）

交换机的包接收操作：交换机接收电信号，将电信号转换为数字信号，通过包末尾的 FCS 校验错误，如果没问题则放到缓冲区，根据 MAC 地址表查找 MAC 地址，然后将信号发送到相应的端口。当 MAC 地址表找不到指定的 MAC 地址，将包转发到除了源端口之外的所有端口。

交换机的 MAC 地址表主要包含两个信息：一个是设备的 MAC 地址，另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。

对于主机而言，只有目的地址跟自己的MAC一致包才接收，忽略其他包

广播地址（全1）：

• MAC 地址中的 FF:FF:FF:FF:FF:FF
• IP 地址中的 255.255.255.255

路由器

路由器是基于 IP 设计的，俗称三层网络设备（即传统网络架构中的网络层），路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址

路由流程见上面IP层

路由器的端口都具有 MAC 地址，只接收与自身地址匹配的包，遇到不匹配的包则直接丢弃

互相扒皮 —— 服务器 与 客户端

逐层协议分析包头。链路层接收和自己的 MAC 地址符合的包。网络层接收和自己的IP地址符合的IP包。根据IP头读取传输层协议。TCP会检查首部校验和序列号并返回ACK，UDP只检查首部校验和。读取传输层端口号，并将传输层载荷发送给进程。

Linux 系统是如何收发网络包的？

网络模型

OSI7层，传统5层，TCP/IP4层

Linux 网络协议栈

• 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；

Linux 接收网络包的流程

当网卡接收到一个网络包后，会通过 DMA 技术，将网络包写入到指定的内存地址，也就是写入到 Ring Buffer，缓存满了就会触发中断唤醒数据接收的服务程序，然后 poll 的方法来轮询数据

硬件中断处理函数：先「暂时屏蔽中断」，表示已经知道内存中有数据了。发起「软中断」，然后恢复刚才屏蔽的硬件中断。

硬件中断处理函数做的事情很少，主要耗时的工作都交给软中断处理函数了。

软中断的处理：当 ksoftirqd 内核线程收到软中断后，就会来轮询处理数据。ksoftirqd 线程会从 Ring Buffer 中获取一个数据帧，用 sk_buff 表示，从而可以作为一个网络包交给网络协议栈进行逐层处理。

发送网络数据的时候，涉及几次内存拷贝操作？

第一次，调用发送数据的系统调用的时候，内核会申请一个内核态的 sk_buff 内存，将用户待发送的数据拷贝到 sk_buff 内存，并将其加入到发送缓冲区。

第二次，在使用 TCP 传输协议的情况下，从传输层进入网络层的时候，每一个 sk_buff 都会被克隆一个新的副本出来。副本 sk_buff 会被送往网络层，等它发送完的时候就会释放掉，然后原始的 sk_buff 还保留在传输层，目的是为了实现 TCP 的可靠传输，等收到这个数据包的 ACK 时，才会释放原始的 sk_buff 。

第三次，当 IP 层发现 sk_buff 大于 MTU 时才需要进行。会再申请额外的 sk_buff，并将原来的 sk_buff 拷贝为多个小的 sk_buff。