网络通信从用户态到物理网络的完整发送和接收流程

1. 数据发送流程

用户程序调用系统调用

应用程序调用 write() 或 send()，将数据从用户空间传递到内核。
系统调用接口（如 sys_sendto 或 sys_write）进入内核态。

内核查找套接字

内核根据文件描述符（如 sockfd）查找对应的套接字对象。
- 套接字对象中包含通信所需的元数据，例如目标地址、端口号、协议类型（TCP/UDP）等。

发送缓冲区处理

内核检查套接字的发送缓冲区：
- 空间足够： 数据被拷贝到发送缓冲区，系统调用立即返回，表示发送成功。
- 空间不足：
  - 阻塞模式： 系统调用阻塞，直到缓冲区有足够空间。
  - 非阻塞模式： 系统调用返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

协议栈处理（传输层和网络层）

传输层处理（TCP/UDP）：
- TCP：
  - 数据可能被分片（根据发送缓冲区大小和路径 MTU）。
  - 每个分片添加 TCP 头部（源端口、目标端口、序列号、校验和等）。
- UDP：
  - 数据直接打包为一个 UDP 报文，加上 UDP 头部（源端口、目标端口、长度和校验和）。
网络层处理（IP）：
- 传输层数据被封装为 IP 数据包。
- 添加 IP 头部（源 IP、目标 IP、协议类型、TTL 等）。
- IP 数据包被交给链路层。

链路层和物理网络

链路层处理：
- 数据包被传递给网卡驱动。
- 网卡驱动将 IP 数据包封装为数据帧（以太网帧）。
- 添加链路层头部（包括目标 MAC 地址、源 MAC 地址等）。
物理网络发送：
- 网卡驱动通过网络硬件（如以太网、Wi-Fi）将数据帧发送到目标主机。

2. 数据接收流程

物理网络到链路层

接收数据帧：
- 目标主机的网卡硬件接收到数据帧，通过网卡驱动传递到内核。
链路层解析：
- 去除链路层头部（如以太网帧头部）。
- 将 IP 数据包传递给网络层。

网络层处理（IP 协议）

IP 数据包解析：
- 检查 IP 头部的合法性（如校验和、TTL 等）。
- 根据目标 IP 地址，确认数据包是否属于本机。
- 将有效载荷传递给传输层。

传输层处理（TCP/UDP 协议）

TCP：
- 检查 TCP 头部（如序列号、校验和等）。
- 将数据按序放入接收缓冲区。
- 如果有丢包，发送重传请求。
UDP：
- 检查 UDP 头部合法性。
- 将数据直接交给应用程序。

接收缓冲区与用户程序

拷贝数据到用户空间：
- 应用程序调用 read() 或 recv()。
- 数据从内核的接收缓冲区拷贝到用户空间。
- 系统调用返回数据长度，表示接收完成。

总结：完整流程

plaintext

复制代码

发送端：应用程序调用 send()/write() ↓ 系统调用进入内核态 ↓ 内核查找套接字，检查发送缓冲区 ↓ 传输层（TCP/UDP）：分片、添加头部 ↓ 网络层（IP）：添加 IP 头部 ↓ 链路层（以太网）：添加 MAC 头部 ↓ 网卡驱动发送到物理网络物理网络 → 目标主机接收端：网卡驱动接收数据帧 ↓ 链路层：解析以太网头部 ↓ 网络层：解析 IP 头部 ↓ 传输层（TCP/UDP）：解析传输层头部 ↓ 内核接收缓冲区 ↓ 应用程序调用 recv()/read() 获取数据

关键点补充

发送缓冲区和接收缓冲区：
- 发送缓冲区用于存储待发送数据；接收缓冲区用于存储收到的数据。
- TCP 协议确保缓冲区中的数据完整且有序，UDP 不提供可靠性保证。
系统调用返回时机：
- 对阻塞套接字，send() 返回表示数据已被写入发送缓冲区。
- 对非阻塞套接字，若发送缓冲区满，send() 立即返回 EAGAIN。
协议栈的分层处理：
- 每一层（传输层、网络层、链路层）负责处理对应的协议头部和功能，层层封装或解析数据。