探索网络协议栈和网卡之间的交互

 

交互主要分为以下几个步骤：

1 创建套接字

1）什么是套接字

套接字指的实体是通信控制信息，控制信息里面包含了通信对象的IP地址，端口号和通信操作进行状态。

linux里面执行如下命令可以看到有多少个套接字：

netstat

上面就是所有的套接字以及它所包含的信息。

创建套接字指的是在内存中开辟一个存储空间，并向这个空间内写入初始化的信息。

如下所示就是python 创建socket的代码，可以看到在进行初始化的时候，传入了

绑定地址和端口信息。这些都会存储到控制信息中。

 

import socket
sk =socket.socket()
sk.bind(("127.0.0.1",8080))
sk.listen(5)
conn,address =sk.accept()
sk.sendall(bytes("Hello world",encoding="utf-8")) 

 

2 连接服务器

 

所谓的连接就是客户端和服务器端交换控制信息。

负责保存控制信息的头部：

有些控制信息在通信的整个过程中都是需要的，这些控制信息需要保存在所发送的包的内部。这些信息被称为“头部”，不同的协议和网络层在处理包的过程中都会加上自己的头部。

为了便于区分这些头部被称为“TCP 头部”， 以太网头部和IP头部。

 

在连接和断开阶段由于没有对应的实际数据，所以传递的仅仅是网络包。

 

tcp的三次握手

 

 

 

• tcp首先发起请求，将syn设置为1，添加tcp头部，并交给ip模块传递包。

• 服务器接收到请求之后，找到对应的套接字，并返回消息。返回的时候syn要设置为1，ack也要设置为1，如果因为某些原因无法连接时，则将rst字段设置为1。 

• 客户端收到之后要返回一个数据包，并将ACK设置为1，这样整个连接也就建立了。

 

3 传输数据

连接建立之后，客户端就可以调用write()函数进行数据的传输。

对于较小的数据片，协议栈会等到数据填满后打包发送，这个数据的容量就是mtu值。

如果应用程序发送的数据包较小，那么会影响发送的效率，协议栈会等到数据达到mtu值之后才会发送。

当然这个是由程序来控制的。可以选择不缓存而立马发送，但是这样会造成网络的拥挤。

 

如果数据包过大，超过了mtu值那么就需要对网络包进行拆分。分成一个个的小包发送出去。

 

这样网络包就发送出去了，但是tcp是一个安全可靠的传输协议，必须保证包能够抵达服务端。

这样就需要一定的机制来保证。

 

• 使用ack确认网络包已经收到

 

 

根据包的平均往返时间来调整ACK号的等待时间。

 

滑动窗口机制的原理，ACK值在返回的过程中可能会造成延迟，如果延迟过高，那么

必然会造成重传，如果重传势必会造成网络更加拥挤。但是如果设置等待网络ACK 包

的时间过长也会导致网络速度变慢，因此需要为延迟设置一个合适的时间。

 

 

4 断开连接

 

5 IP与以太网的包收发操作

包结构

 

网卡是物理层设备，负责将电信号转化为数字信号。虚拟网卡尤其是linux的tap设备

是对网卡的模拟，它并不负责将电信号转化为数字信号，而是一个软件，负责数字信号

的传输。

 

TCP协议的目的是保证数据的安全和可靠传输，所以它有三次握手和三次挥手的功能。

这整个算是传输层的能力。UDP也一样，不过它不具备可靠传输的能力。

 

内核协议栈的IP模块的主要功能是对包进行封装传输。它并不关心TCP做了哪些事情。

举个例子来说，我们在邮局寄东西的时候，汽车的运输人员，他们不关心运输的东西

是什么，每一个物品都封装成了一个个的包裹，包裹上面有面单，上面包含了发送地址和寄出地址。

 

IP模块在接收到包之后会做两件事情，添加IP头部和MAC头部。

MAC头部在IP头部的前面，由于在处理的时候先处理二层的MAC头部，再

处理三层的IP头部。

 

网卡有对应的网卡驱动程序，网卡的内部结构如下图所示。它的主要功能是

将数字信号转换为电信号并传输出去。

 

参考文献：

《网络是怎样连接的》

https://juejin.cn/post/6844903510509633550#heading-6