操作系统实战45讲00038
你好,我是 LMOS。
从这节课起,我们就要开始学习网络篇的内容了。网络是一个极其宏大的知识结构,我会通过五节课带你了解计算机网络的关键内容。
具体我们是这样安排的。作为网络篇的开始,今天这节课我会从一个面试中高频出现的问题切入,带你梳理从输入URL到网卡的网络数据流动过程中都发生了什么事。如果你真正理解了这个过程,相信你对整个网络架构的认知也会有质的飞跃。
网络篇的第二节课,我会带你分析网络数据包在内核中如何流转;第三节课,我们一起探讨互联网架构演进过程,并动手做一次协议栈移植;最后两节课,我还是照例带你看看Linux,让你理解套接字在Linux内核中怎样实现。
从一道经典面试题说起
下面我们一起来看看一个问题,估计你多多少少会觉得熟悉。
输入URL,从一个请求到响应都发生了什么事?
没错,这是一道非常经典的面试题,你在网上随便一搜,也会找到各种各样的资料解答这道题。
不过啊,那些答案都有一些笼统,今天我会尽量详细地为你梳理一下这个过程。跟着我学完这节课,你就能明白,为什么面试官对这道题青睐有加了。
这里我先给你概括一下全过程,让你有个整体印象。
1.常规的网络交互过程是从客户端发起网络请求,用户态的应用程序(浏览器)会生成HTTP请求报文、并通过DNS协议查找到对应的远端IP地址。
2.在套接字生成之后进入内核态,浏览器会委托操作系统内核协议栈中的上半部分,也就是TCP/UDP协议发起连接请求。
3.然后经由协议栈下半部分的IP协议进行封装,使数据包具有远程定位能力。
4.经过MAC层处理,找到接收方的目标MAC地址。
5.最终数据包在经过网卡转化成电信号经过交换机、路由器发送到服务端,服务端经过处理拿到数据,再通过各种网络协议把数据响应给客户端。
6.客户端拿到数据进行渲染。
7.客户端和服务端之间反复交换数据,客户端的页面数据就会发生变化。
你有没有发现,刚才的过程中,我们提到了多个层级和网络协议,那么网络为什么要分层呢?网络协议又是什么呢?请听我给你一一道来。
前置知识:网络分层和网络协议
在计算机网络时代初期,各大厂商推出了不同的网络架构和标准,为统一标准,国际标准化组织ISO推出了统一的OSI参考模型。
当前网络主要遵循的IEEE 802.3标准,就是基于OSI模型提出的,主要定义的是物理层和数据链路层有线物理数据流传输的标准。
那么问题来了,网络为什么要分层呢?
我们都知道网络是复杂的。对于复杂的问题,我们自然要通过分层处理简化问题难度,降低复杂度,由于分层后的各层之间相互独立,我们可以把大问题分割成小问题。同样,分层也保证了网络的松耦合和相对的灵活,分层拆分后易于各层的实现和维护,也方便了各层的后续扩展。
网络分层解决了网络复杂的问题,在网络中传输数据中,我们对不同设备之间的传输数据的格式,需要定义一个数据标准,所以就有了网络协议。
网络协议是双方通信的一种约定,以便双方都可以理解对方的信息。接下来我们就用OSI协议体系中广泛应用的TCP/IP层的体系结构来分析整个过程,你重点需要关注的是数据处理的过程和网络协议。
发起请求阶段(应用层)
下面我们首先来看看网络应用层,它是最上层的,也是我们能直接接触到的。
我们的电脑或⼿机使⽤的应⽤软件都是在应⽤层实现,所以应⽤层只需要专注于为⽤户提供应⽤功能,不⽤去关⼼数据是如何传输的。你可以这样理解,应⽤层是⼯作在操作系统中的⽤户态。
我们依然从浏览器中输入URL,开始了解网络应用层的工作流程。
用户输入:在浏览器中输入URL
我们在浏览器中输入URL的时候,浏览器已经开始工作了。浏览器会根据我们的输入内容,先匹配对应的URL以及关键词,给出输入建议,同时校验URL的合法性,并且会在URL前后补全URL。
为了帮你更好地理解,我给你举个例子说明。我们以输入cosmos.com为例,首先浏览器会判断出这是一个合法的URL,并且会补全为http://www.cosmos.com。
其中http为协议,cosmos.com为网络地址,每个网络栏的地址都符合通用 URI 的语法。URI 一般语法由五个分层序列组成。后面的第一行内容我给你列了URL的格式,第二行做了行为说明。
URI = scheme:[//authority]path[?query][#fragment]
URI = 方案:[//授权]路径[?查询][#片段ID]
接着,浏览器从URL中会提取出网络的地址,也叫做主机名(host),一般主机名可以为域名或IP地址,此处使用域名。
对URL进行解析之后,浏览器确定了服务器的主机名和请求路径,接下来就是根据这些信息来生成HTTP请求消息了,那么到现在为止,我们的HTTP请求是否已经发出了呢?并不是这样的,我们接着往下看。
网络请求前:查看浏览器缓存
浏览器在HTTP报文生成完成后,它并不是马上就开始网络请求的。
在请求发出之前,浏览器首先会检查保存在本地计算机中的缓存,如果访问过当前的URL,会先进入缓存中查询是否有要请求的文件。此时存在的缓存有路由器缓存、DNS缓存、浏览器缓存、Service Worker、Memory Cache、Disk Cache、Push Cache、系统缓存等。
在这里我们看一下系统缓存,如果在浏览器缓存里没有命中缓存,浏览器会做一个系统调用获得系统缓存中的记录,就是我们的gethostbyname方法,它的作用是通过域名获取IP地址。这个方法会返回如下结构。
struct hostent
{
char *h_name;// 主机的别名.www.cosmos.com就是google他自己的别名
char **h_aliases;// 主机ip地址的类型,到底是ipv4(AF_INET),还是pv6(AF_INET6)
int h_addrtype;// 主机ip地址的长度
int h_length;// 主机ip地址的长度
char **h_addr_list; // 主机的ip地址,注意,这个是以网络字节序存储的
#define h_addr h_addr_list[0] 这个函数,是将类型为af的网络地址结构src,转换成主机序的字符串形式,存放在长度为cnt的字符串中。返回指向dst的一个指针。如果函数调用错误,返回值是NULL
};
如果没有访问过当前的URL,就会跳过缓存这一步,这时我们就会进入网络操作了。
域名解析:DNS
接着上一小节在浏览器确认了输入的URL之前没有访问,浏览器就会生成对应的HTTP请求,这时浏览器需要委托操作系统将HTTP报文发送到对应的服务端。在发送消息之前,还有一个工作需要做,就是查找服务端的IP地址,因为操作系统在发送消息时,必须知道对方的IP地址才可以发送。
但是由于IP地址由一串数字组成,不够语义化,为方便你记忆,我们将IP地址映射为域名,于是就有这样一个服务,维护了IP和域名的映射关系,它就是非常重要的基础设施——DNS服务器。DNS服务器是一个分布式数据库,分布在世界各地。
为提高效率,DNS是按照一定的结构进行组织的,不同层次之间按照英文句点.来分割。
在域名中,我们的层级关系是按照从左到右、从低到高排列的,不同层级由低到高维护了一个树形结构,最高一级的根节点为root节点,就是我们所谓的根域名服务器,因此cosmos.com完整的域名应该是cosmos.com.,后面的 .相当于.root。
但是所有域名的顶级域名都一样,因此被省略;再下一级.com为顶级域名;再下一级的cosmos为权威域名。
因为这是一个树形结构,所以客户端只要请求到一个DNS服务器,就可以一层层递归和迭代查找到所有的DNS服务器了。按照由高到低的优先级,DNS域名解析的过程排列如下。
DNS解析 > 浏览器DNS缓存 > hosts文件 > 本地DNS服务器 > ISP DNS服务器
操作系统协议栈(传输层和网络层)
现在我们已经根据URL拿到需要请求的唯一地址了,接下来就要委托操作系统将HTTP报文发送出去了,这个过程由操作系统中的协议栈负责处理。
TCP/IP协议栈是现在使用最广泛的网络协议栈,Internet就是建立在TCP/IP协议栈基础上的。除TCP/IP协议栈外,我们的操作系统内核可以支持多个不同的协议栈,如后续我们将会用到的LwIp。
协议栈内部分为几部分,分别承担着不同的作用。协议栈的上半部分负责和应用层通过套接字(Socket)进行交互,它可以是TCP协议或UDP协议。应用层会委托协议栈的上部分完成收发数据的工作;而协议栈的下半部分则负责把数据发送给到指定方的IP协议,由IP协议连接下层的网卡驱动。
可靠性传输:建立TCP连接
浏览器通过DNS解析拿到Cosmos的 IP地址后, 浏览器取出 URL 的端口(HTTP默认80,HTTPS默认443)。随即浏览器会委托操作系统协议栈的上半部分创建新的套接字(Socket)向对应的IP发起 TCP
连接请求。
为了确保通信的可靠性,建立TCP首先会先进行三次握手的操作,我们可以结合后面的图示理解。
那么TCP的三次握手操作,是如何进行的呢?具体的操作步骤如下。
1.首先浏览器作为客户端会发送一个小的TCP分组,这个分组设置了一个特殊的 SYN
标记,用来表示这是一条连接请求。同时设置初始序列号为 x
赋值给 Seq
(这次捕获组的数据为: SYN=1, Seq=1)。
2.服务器接受到客户端的 SYN
连接后,会选择服务器初始序号 y
。同时向客户端发送含有连接确认(SYN+ACK
)、Seq=0
(本例中的服务器初始序号)、Ack=1
(客户端的序号x +1)等信息的 TCP 分组。
3.客户端收到了服务器的确定字段后,向服务器发送带有 ACK=1
、Seq=1
(x+1)、Ack=1
(服务器 Ack 信息的拷贝)等字段的TCP分组给服务器。
即使是发送一个TCP分组,也是一次网络通信,那么对于TCP层来说,这一次通信的数据前面就要包含一个TCP包头,向下层表明这是个TCP数据包。TCP包头其实是一个数据结构,我为你准备了一幅图,以便理解。
下图就是TCP的包头,对于TCP头部来说,以下几个字段是很重要的,你要格外关注。
首先,源端口号(Source port)和目标端口号(Destinantion port)是不可少的,如果没有这两个端口号,数据就不知道应该发给哪个应用。
其次,你需要注意的是一串有序数字Sequence number,这个序号保证了TCP报文是有序被接受的,解决网络包的乱序问题。
之后的Acknowledgement number是确认号,只有对方确认收到,否则会一直重发,这个是防止数据包丢失的。
紧接着还有一些状态位,由于TCP是有状态的,是用于维护双方连接的状态,状态发生变更会更新双方的连接状态。后面还有一个,窗口大小Window Size,用于流量控制。
TCP层封装好了数据包,会将这个TCP数据包向下层发送,而TCP层的下层就是IP层,下面我们一起去瞧一瞧完成目的地定位的IP层。
目的地定位:IP层
TCP在维护状态的过程中,都需要委托IP层将数据封装,发送和处理网络数据包进入网络层。IP协议是TCP/IP协议栈的核心,IP协议中规定了在Internet上进行通信时应遵循的规则,包括IP数据包应如何构成、数据包的路由等,而IP层实现了网络上的点对点通信。
我们首先来看看IP层处理上层网络数据包的过程,网络数据包(无论输入数据包还是输出数据包)进入网络层后,IP层协议的函数都要对网络数据包做后面这5步操作。
1.数据包校验和检验
2.防火墙对数据包过滤
3.IP选项处理
4.数据分片和重组
5.接收、发送和前送
为了完成上述操作,IP 层被设计成三个部分,分别是 IP 寻址、路由和分包组包。现在我们并不关注这三个部分的具体实现,仅仅是熟悉这个流程就好了。
其实在网络通信的过程中,每个设备都必须拥有自己的IP地址才可以完成通信,我们的IP地址是以四组八位的组合进行约定,每组以.号隔开,再转化为十进制的方式。这里要注意,IP地址并不是以主机数目进行配置的,而是根据网卡数来进行。
有了IP地址,就可以通信了,但IP层仍然是一个软件实现的功能逻辑层,那它如何完成通信呢,答案是不能直接完成通信,它只是把IP地址及相关信息组装成一个IP头,把这个IP头放在网络数据的前面,形成了IP包,最后把这个IP包发送给IP层的下一层组件就行了,IP头的格式如下所示。
有了IP头的网络数据,就有了发送目的地的信息,那么该如何才能将报文发送到目的地呢?这就要请MAC出场了,这个MAC层,就是IP层的下一层组件。下面我们一起进入MAC层。
点对点传输:MAC(链路层)
我们经常听说网卡MAC地址,这个MAC地址指的就是计算机网卡的物理地址(Physical Address),MAC地址被固化到网卡中,用来标识一个网络设备。MAC地址是唯一且无重复的,由国际标准化组织分配,用来确保网络中的每个网卡是唯一的。
网络数据在IP层中加上IP头后,形成了IP包,现在进入MAC层了,我们就需要对IP包加上MAC头,这个MAC头包括发送方的MAC头和接收方的MAC头,用于两个物理地址点对点的传输;此外还有一个头部字段为协议类型,在常规的TCP/IP协议中,MAC头的协议类型只有IP和ARP两种。
MAC头格式如下所示。
发送方的MAC头比较容易获取,读取当前设备网卡的MAC地址就可以获取,而接收方的MAC头则需要通过ARP协议在网络中携带IP地址,在一个网络中发送广播信息,这样就能获取这个网络中的IP地址对应的MAC地址,然后就能给我们的IP包加上MAC头了,最后这个加上MAC头的IP包,成为一个MAC数据包,就可以准备发送出去了。
下面我们一起进入最后的阶段,数据的发送,即网络层中的最低层——物理层。
电信号的出口:网卡(物理层)
现在我们拿到了经过层层处理过的数据包,数据包只是一串二进制数据,然而我们都知道,网络上的数据传送,是依赖电信号的,所以我们现在需要将数据包转化为电信号,才能在物理的网线上面传输。
那么数据包是如何被转换电信号的呢,数据包通过网络协议栈的层层处理,最终得到了MAC数据包,这个MAC数据包会交给网卡驱动程序,而网卡驱动程序会将MAC数据包写入网卡的缓冲区(网卡上的内存).
然后,网卡会在MAC数据包的起止位置加入起止帧和校验序列,最后网卡会将加入起止帧和校验序列的MAC数据包转化为电信号,发送出去。
客户端服务端的持续数据交换(应用层)
现在,我们的数据终于通过网卡离开了计算机,进入到局域网,通过局域网中的设备,集线器、交换机和路由器等,数据会进入到互联网,最终到达目标服务器。
接着,服务器就会先取下数据包的MAC头部,查看是否匹配自己MAC地址。然后继续取下数据包的IP头,数据包中的目标IP地址和自己的IP地址匹配,再根据IP头中协议项,知道自己上层是TCP协议。
之后,还要继续取下数据包TCP的头。完成一系列的顺序校验和状态变更后,TCP头部里面还有端口号,此时我们的HTTP 的server正在监听这个端口号,就把数据包再发给对应的HTTP进程。
HTTP进程从服务器中拿到对应的资源(HTML文件),再交给操作系统对数据进行处理。然后再重复上面的过程,层层携带TCP、IP、MAC 头部。
接下来数据从网卡出去,到达客户端,再重复刚才的过程拿到相应数据。客户端拿到对应的HTML资源,浏览器就可以开始解析渲染了,这步操作完成后,用户最终就能通过浏览器看到相应的页面。
我为你画了两幅图,来描述上述过程,第一幅是网络协议各层之间封装与拆封数据的过程,如下所示。
下面的第二幅图,是描述客户端与服务器之间用网络协议连接通信的过程,如下所示。
我们可以看到,此时客户端和服务端之间通过TCP协议维护了一个连接状态,如果客户端需要关闭网络,那么会进行四次挥手,两边的网络传输过程至此完成。
重点回顾
好,这节课的内容告一段落了,我来给你梳理一下本节课的重点,如下所示。
1.首先,常规的网络交互过程是从客户端发起网络请求,网络数据包经过各类网络协议的处理,为了约定一套不同设备都能理解的约定,我们引入了网络协议。
2.然后,在不同的网络协议处理下,给我们的网络数据包加上了各种头部,这保证了网络数据在各层物理设备的流转下可以正确抵达目的地。收到处理后的网络数据包后,接受端再通过网络协议将头部字段去除,得到原始的网络数据。
3.最后,这节课你需要重点理解网络协议对数据的处理过程,以及处理过程中的不同协议的数据结构和关键头部字段。
思考题
我们这节课从宏观的角度分析了网络数据的运转,但是在内核中网络数据包怎么运转的呢?请你简单描述这个过程。
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我是LMOS,我们下节课见!
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