note-网络是怎样连接的2 协议栈和网卡

助记提要

协议栈的结构
协议栈创建连接的实际过程
协议栈发送数据包的2个判断依据
TCP确认数据收到的原理
断开连接的过程
路由表和ARP
MAC地址的分配
MAC模块的工作
通过电信号读取数据的原理
网卡和协议栈接收包的过程
ICMP
UDP协议的适用场景

2章用电信号传输TCP/IP数据探索协议栈和网卡

1. TCP部分

1.1 协议栈

底层实际负责收发消息的是协议栈、网卡驱动和网卡。协议栈是操作系统中的网络控制软件，

操作系统的协议栈分为上下两部分。上部分为两块，分别是用TCP协议收发数据的部分和用UDP协议收发数据的部分。一般应用程序都使用TCP收发数据，像DNS查询等收发较短的控制数据时用UDP。
下部分是IP协议部分，负责将切分的网络包发送给通信对象。这一层还有ICMP和ARP协议。ICMP用于报告网络包传输过程中的错误和控制信息，ARP用于根据IP地址查询MAC地址。
协议栈下面是网卡驱动程序，负责控制网卡硬件。再下是网卡，负责实际的收发操作。

协议栈内有一块用于存放控制信息的内存空间，记录了通信对象的IP地址、端口号、通信状态等信息。这些控制信息就是套接字的实体。
创建套接字时，先分配一个内存空间，然后在其中写入初始状态。

1.2 TCP头部格式

字段	长度(位)	含义
发送方端口号	16	发送网络包的程序的端口号
接收方端口号	16	接收方程序的端口号
序号	32	发送方告诉接收方，当前网络包是所有发送数据的第几个字节
ACK号	32	接收方告诉发送方已收到了所有数据的第几个字节
数据偏移量	4	数据部分的起始位置，相当于头部的长度
保留	6	保留字段，未使用
控制位	6	6个比特位表示不同的通信控制含义： URG：表示紧急指针字段有效； ACK：表示接收数据序号字段有效，数据已被接收到； PSH：表示通过flush操作发送的数据； RST：强制断开连接，用于异常中断情况； SYN：发送方和接收方相互确认序号，表示连接操作； FIN：表示断开连接
窗口	16	接收方告知发送方窗口大小。即无需等待确认可一起发送的数据量
校验和	16	用于检验是否出现错误
紧急指针	16	表示需要紧急处理的数据位置
可选字段	可变	额外添加的可选字段

通信操作使用的控制信息，一是数据包头部记录的信息，二是套接字中记录的信息。

1.3 连接操作实际过程

连接操作表示通信双方交换控制信息，在套接字中记录这些必要信息并准备数据收发的一系列操作。(三次握手)

1-1 应用程序调用socket库的connect组件，服务器的IP和端口号被传递给协议栈的TCP模块；
1-2 TCP模块创建包含控制信息的头部。其中SYN位设为1，表示连接；
1-3 TCP模块把信息交给IP模块，IP模块进行网络包发送；
1-4 服务器的IP模块收到的数据传递给TCP模块；
1-5 服务器的TCP模块根据头部的端口号找到对应的套接字，在这个套接字写入相应信息，将状态改为正在连接；
2-1 服务器的TCP模块创建响应，响应的TCP头部的ACK控制位为1，表示成功接收到客户端发来的网络包。
2-2 服务器TCP模块把TCP头部交给IP模块，由IP模块向客户端返回响应；
2-3 客户端收到后，TCP模块通过头部信息确认连接操作是否成功。SYN为1表示连接成功，就向套接字写入服务器的IP地址、端口号等信息，同时连接状态改为连接完毕。
3 客户端将ACK位设为1后，发回服务器，告诉服务器刚才的响应已收到。

1.4 协议栈发送数据的两种依据

协议栈收到数据后不是马上发送出去，而是先将数据存在发送缓冲区中。

应用程序交给协议栈发送的数据的长度是应用程序决定的，有的应用程序会一次性传递所有数据，有的会逐字节或逐行传递数据。如果一收到数据就马上发送，就可能会发送大量小包，导致网络效率下降，因此需要积累到一定量再发送。

MTU，表示网络包的最大长度，以太网中一般为1500字节。
MSS，表示除去头部后，网络包能容纳的TCP数据的最大长度。

协议栈会在从应用程序收到的数据长度超过或接近MSS时再发送出去，避免发送太多小包；
协议栈内部有计时器，当应用程序发送频率低时，为避免等待过长时间造成延迟，经过一定时间后就会把网络包发送出去。

长度和时间这两个判断依据是相互冲突的。协议栈会由于操作系统差异有不同的表现。应用程序可以在发送数据时指定选项，控制协议栈的发送操作。

应用层的大数据包到达发送缓冲区后，会被以MSS长度为单位进行拆分，拆分的每块数据会被放入单独的网络包中。发送时，在每一块数据前面加上TCP头部，然后交给IP模块执行发送操作。

1.5 TCP确认网络包收到的原理

TCP模块拆分数据时，会计算出每一块数据相当于从头开始的第几个字节，这个字节数会写在TCP头部的序号字段。
接收方收到网络包时，通过序号知道这次的数据是从第几个字节开始的。并使用网络包的长度减去头部长度算出数据长度。
接收方根据序号和数据长度判断有无遗漏。
如果没有遗漏，就把目前收到的数据长度写到ACK号中返回给发送方。
发送方通过ACK号得知对方收到了多少数据。

为了避免发送过程被攻击者预测到，实际发送时的序号初始值是随机的。建立连接时，将SYN置为1的同时，也会将序号改为初始的随机值，用来告知服务器。
TCP在得到对方确认收到数据的消息前，发送过的数据都会保存在发送缓冲区中。如果对方没有返回某些包对应的ACK号，就重新发送这些包。
TCP的确认机制很强大，因此应用程序、网卡、集线器、路由器等都没有错误补偿机制，检测到错误就直接丢弃。

1.6 ACK号

ACK号的等待时间
ACK号的返回快慢受很多因素影响，如网络距离的远近、网络的拥塞程度等。
因此ACK号的等待时间不能设为固定的值。
TCP会在发送数据的过程中持续监测ACK号的返回时间，如果返回变慢，就延长等待时间，如果ACK号马上返回，就缩短等待时间。
使用窗口管理ACK号
发送数据包后，等待ACK号的时间如果什么也不做，会很浪费。因此在等待ACK号的期间继续发送后续的包，这样的方式叫滑动窗口。这种方式减少了等待ACK号的时间浪费。

接收方的TCP收到包后，会把数据存到接收缓冲区，然后组装数据、计算ACK号、传递给应用程序。在操作期间，下一个包到了，会被暂存到接收缓冲区。如果数据到达的速率超过处理速率，缓冲区的数据会越来越多直到溢出。缓冲区溢出后就收不到后续的包了。
为了避免这种情况，接收方需要通过窗口字段告诉发送方自己能接收多少数据量，发送方按照这个值控制发送操作。
接收方能接收的最大数据量称为窗口大小，经常用于TCP调优。

接收方接收完数据后就需要返回ACK号，在数据传递给应用程序后就需要更新窗口大小。如果每收到一个包就向发送方分别发送ACK号和窗口更新，会使网络效率下降。
因此接收方在发送ACK号和窗口更新时，不会马上把包发送出去，而是等待一段时间，将两种通知合并在一个包里发送。连续的ACK号和连续的窗口更新也能进行合并。
接收HTTP响应消息
请求消息发送完后，应用程序会调用read程序获取响应消息。协议栈会取出暂存到接收缓冲区的数据传递给应用程序。如果这时请求刚发出去，接收缓冲区没有数据，协议栈会将应用程序的委托挂起，等待响应消息到达后再继续操作。

1.7 断开连接过程

数据发送完毕后，断开连接的过程(四次挥手)：

服务器端的应用程序调用socket库的close程序；
服务器的协议栈生成包含断开信息的TCP头部，其中的FIN位设为1；
协议栈委托IP模块把数据发送个客户端；
客户端收到服务器发来的FIN为1的TCP头部后，把自身的套接字标记为断开操作状态；
客户端协议栈向服务器返回一个ACK号，告知服务器已收到断开信息；
客户端应用程序得知服务器的数据已经全部收完后，调用close程序结束数据收发操作；
之后，客户端的协议栈生成一个FIN为1的TCP包发给服务器；
服务器收到后返回ACK信号，结束通信。
客户端等待一段时间后，删除套接字。等待是为了避免误操作。

HTTP1.0中服务器发送完响应后就发起断开过程；HTTP1.1后服务器不主动断开，而是客户端在没有新请求时发起断开。

2. IP部分

2.1 IP头部

IP模块的工作就是在包前面加上IP头和MAC头。IP头包含IP协议规定的、根据IP地址将包发往目的地需要的控制信息。MAC头部包含通过以太网的局域网把包传输到最近的路由器的控制信息。

字段	长度	含义
版本号	4	IP协议的版本号
头部长度	4	IP头部的长度。会因可选字段而变化
服务类型	8	表示包传输的优先级
总长度	16	IP消息的总长度
ID号	16	用于识别包的编号，一般为包的序列号。如果包被IP分片，则所有分片有相同的ID
标志	3	仅两位有效，一位表示是否允许分片，另一位表示是否为分片包
分片偏移量	13	当前包的内容为整个IP消息的第几个字节开始的内容
生存时间	8	包的生存时间。为了避免网络出现会环，导致一个包永远在网络中转发。没经过一个路由器，这个值会减1，减到0时这个包会被丢弃
协议号	8	表示协议的类型。十六进制表示：TCP为06，UDP为17，ICMP位01
头部校验和	16	用于检查错误。现已不再使用
发送方IP地址	32	发送方的IP地址
接收方IP地址	32	接收方的IP地址
可选字段	可变长度	可选的其他控制信息。一般很少用到

IP模块如何使用路由表
路由表的每行包括目标子网地址(Network Destination)、转发路由器的IP地址(Gateway)、发送包的网络接口(Interface)、使用该行路由的传输成本(Metric)。
TCP模块告知目标IP地址后，IP模块在路由表中找这个地址所在的网络，找到后把包由Interface记录的网卡发送给Gateway记录的路由器。路由表第一行是默认网关，无法匹配时会使用这一行。

发送方的计算机上可能会有多块网卡，因此IP地址填写的是发送使用的网卡的IP地址。

2.2 MAC头部

以太网判断网络包目的地的方式和TCP/IP不同，因此需要采用相匹配的方式才能在以太网将包发到目的地。

字段	长度	含义
接收方MAC地址	48	网络包接收方的MAC地址
发送方MAC地址	48	网络包发送方的MAC地址
以太类型	16	使用的协议类型。0800:，IP协议；0806，ARP协议；86DD，IPv6协议；0000-05DC，IEEE 8-2.3。TCP/IP中只用到0800和0806两种

2.3 接收方MAC地址的获取

路由表中能找到把网络包发给谁(Gateway)，但是只知道对方的IP地址，不知道MAC地址。

ARP(Address Resolution Protocol)
地址解析协议。ARP会对同一子网中的所有设备广播，询问某个IP地址和哪个MAC地址对应。
内存中有一块ARP缓存，其中保存了之前的查询结果。在发送ARP包前先查询缓存，避免网络中增加过多的ARP包。ARP缓存有效期一般为几分钟。

MAC头部是以太网需要的信息，却由IP模块装配。这样网卡只做单纯的发送和接收，一块网卡也能支持各种类型的包。

3. 网卡部分

3.1 以太网模型的发展

初始原型
通过收发器把不同网线的信号连接起来。一台计算机发信号时，信号会流过整个网络，到达所有设备。和MAC头部的接收者地址匹配的设备接收信号包，其他设备丢弃这些包。
使用中继式集线器
主干网线替换为了中继式集线器，收发器网线替换为双绞线。信号仍然会到达所有设备。
使用交换式集线器
信号只会到达MAC地址指定的设备。

以太网的三个性质：将包发送到MAC头部接收方MAC地址表示的目的地，用发送方MAC地址识别发送方，用以太类型识别包的内容。

3.2 MAC模块的MAC地址

启动操作系统时，网卡驱动会对硬件进行初始化操作，包括硬件错误检查、初始设置等。
初始化时，有一项是为MAC模块设置MAC地址。网卡的ROM中保存着全世界唯一的MAC地址，是在生产网卡时写入的，读出后就能对MAC模块进行设置。也能通过命令行或配置文件读取MAC地址并分配给MAC模块，这时会忽略ROM中的MAC地址。

3.3 MAC模块的工作

收到IP模块的包后，MAC模块会把包从缓冲区取出，并在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FCS。

报头用来测量时钟信号，长度56比特。
起始帧分界符用于标记包的起始位置，长度8比特。
末尾的帧校验序列用于检测传输过程中因噪声导致的波形紊乱、数据错误，长度32比特。数据发生变化时，接收方计算出的FCS和发送方的就会不一致。

3.4 如何使用电信号读取数据

0和1两种比特可以使用特定的电压和电流表示，但是当信号为连续的1或0时，比特之间的界限会消失，读取时无法判断。
解决这个问题的方式是加一组用于区分比特间隔的时钟信号。两组信号需要叠加在一起发送(避免传输太远导致偏移)。
时钟信号一般是固定的频率变化的，只要对信号观察一段时间，就能知道变化的周期。

3.5 半双工模式的问题

发送信号的操作一种是集线器的半双工模式，另一种是交换机的全双工模式。
MAC模块会把处理完的网络包转换为通用的电信号交给网卡的PHY(MAU)模块，PHY把信号转换为可在网线中传输的格式，然后通过网线发出去。

信号碰撞，在使用集线器的半双工模式中，发送信号的过程中，接受线路也有信号进来时，两组信号就会发生叠加，无法彼此区分。
此时会终止发送操作，并发送一段时间的阻塞信号让其他设备也停止发送。等待一段时间后重试发送。等待时间是按照MAC地址生成一个随机数计算出来的，重试时又发生碰撞会将等待时间延长一倍。重试10次后不行就报错。

3.6 接收返回包的过程

3.6.1 网卡接受包的过程

PHY(MAU)把收到的信号转为通用格式发给MAC模块，MAC模块把信号转为数字信息，放到缓冲区中。
在到达FCS时，会把报头到结尾的比特套用公式计算出FCS和包尾的FCS作比较，错误包会被丢弃。FCS校验正确后，如果MAC头部中接收方的MAC地址和网卡初始化时分配的MAC地址一致，MAC模块就把包放到缓冲区中。

网卡通过中断机制通知计算机收到一个包。
网卡先向扩展总线中的中断信号线发送信号，该信号线通过计算机的中断控制器连接到CPU。CPU收到中断信号时，会挂起当前任务，转到中断处理程序。中断处理程序调用网卡驱动。网卡驱动从缓冲区中取出收到的包，通过MAC头部的以太类型判断协议类型，然后将数据交给对应的协议栈。

中断是有编号的。网卡安装时在硬件中设置中断号，中断处理程序会把中断号和相应的驱动绑定。

3.6.2 协议栈接收数据

TCP/IP协议栈收到网卡发来的数据，IP模块会检查IP头的格式，确定接收方的IP地址与网卡的地址一致。
如果接收到的包是经过分片的，IP模块会先暂存在内存中，等全部的相同ID的包到达后还原为原始的包。

之后数据包交给TCP模块。TCP模块根据IP头部的接收方和发送方IP地址，以及TCP头部的接收方和发送方端口号找到对应的套接字，执行后续的操作。

查找套接字同时需要接收方和发送方的IP地址和端口号，所以TCP模块需要查询IP头部的信息。TCP和IP模块被看成一个整体，没有严格划分。

3.6.3 ICMP

ICMP协议用于传输出错时报告错误信息。属于网络层协议，主要在主机和路由器之间传递控制信息。IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前速率转发数据包时会自动发ICMP消息。

ICMP规定的各种消息类型
| 消息 | 类型 | 含义 |
| — | — | — |
| Echo reply | 0 | 响应Echo消息 |
| Destination unreachable | 3 | 出于某些原因包没有到达目的地而是被抛弃，通过此消息通知发送方。可能原因包括IP地址在路由表中不存在；目标端口不存在对应套接字；需要分片，但分片被禁用 |
| Source quench | 4 | 发送的包数超过路由器的转发能力时，超过的包会被丢弃，这时会通知发送方。路由器的性能不够时，可能不会发送该消息，而是直接丢弃多余的包。 |
| Redirect | 5 | 查路由表发现包的入口和出口为同一个网络接口时，表示该包不需要这个路由器转发，发送方可以直接发给下一个路由器。此时路由器会发送这条消息，告知发送方下一个路由器的地址。 |
| Echo | 8 | ping命令发送的消息，收到这条消息的设备需要返回Echo reply消息，以确认通信对象是否存在。 |
| Time exceeded | 11 | 超过了IP头部中的TTL字段表示的存活时间，被路由器抛弃。 |
| Parameter problem | 12 | 由于IP头部字段存在错误而被丢弃。 |

4 UDP协议

4.1 UDP头部

名称	长度	含义
发送方端口号	16	发送方的端口号
接收方端口号	16	接收方的端口号
数据长度	16	UDP头部后面数据的长度
校验和	16	用于校验错误

4.2 UDP适用场景

不需要重发的数据
在数据长，分包多的情况下，发生漏包时，为了高效传输，TCP只重发出错或者未送达的包。
控制用的短数据
控制数据一般很短，一个包的大小就能容纳。
这时使用UDP，不需要建立和断开连接的开销。出错时，协议栈也不会知道。应用程序在没有收到对方的回复时会选择重发数据。
音频和视频数据
音频和视频数据有规定的送达时间，送晚了就会错过播放时机。
重发需要消耗时间，也很可能错过播放时机。
某些包缺少了只会产生一些失真和卡顿，是可接受的。