摘要
- 網絡模型
- 網絡協議棧
- 網絡包接收流程
- 網絡包發送流程
網絡模型
網絡模型按照標準有幾類劃分？
- OSI模型
- TCP/IP模型
OSI模型的劃分層次？
- 應用層：負責給應用程序提供統一的接口
- 表示層：負責把數據轉換成兼容另一個系統能識別的格式
- 會話層：負責建立、管理和終止表示層實體之間的通信會話
- 傳輸層：負責端到端的數據傳輸
- 網絡層：負責數據的路由、轉發、分片
- 數據鏈路層：負責數據的封幀和差錯檢測，以及mac尋址
- 物理層：負責在物理鏈路中傳輸數據幀
為什么出現了TCP/IP模型？
OSI模型過于復雜，只是概念理論上的分層，沒有具體的實現方案。
TCP/IP模型的分層？
- 應用層：負責向用戶提供一組應用程序，比如HTTP、DNS、FTP等
- 傳輸層：負責端到端的數據傳輸，比如TCP、UDP等
- 網絡層：負責網路包封裝、分片、路由、轉發，比如IP、ICMP等
- 網絡接口層：負責網絡包在物理網絡中的傳輸，比如網絡包的封幀、MAC尋址、差錯檢測以及通過網卡傳輸網絡幀等
OSI模型和TCP/IP模型的層次對應關系如下圖：
網絡協議棧
網絡通信的主機間必須要遵從一定的網絡協議。我們的網絡包每經過一層，都會被當前層進行一定的包裝，當到達目的主機時，也會進行拆包裝操作。
每一層給數據包做了哪些包裝？
- 傳輸層：在數據包前面增加了TCP頭
- 網絡層：在傳輸層數據包的基礎上增加了IP頭
- 網絡接口層：在網絡層數據包的基礎上增加了幀頭幀尾
物理鏈路中的最大傳輸大小是？
在以太網中規定，最大傳輸單元(MTU)是1500字節，即網絡層IP包的最大值。當IP數據包超過MTU時，就需要在網絡層對其進行分片傳輸。
linux中網絡協議棧大體組成
- 應用程序需要通過系統調用，來跟Socket層交互
- Socket層的下面就是傳輸層、網絡層和網絡接口層
- 最下面的一層則是網卡驅動程序和網卡硬件設備
網絡包接收
主機中網絡包的門神是？
網卡，專門負責接收和發送網絡包，網卡接收到一個網絡包以后，會通過DMA技術，將網絡包放入到Ring Buffer（環形緩沖區）。
操作系統是如何判斷一個網絡包到達？
- 中斷：如果網絡包過多，CPU會被頻繁中斷，影響系統效率
- NAPI機制
NAPI機制是什么？
混合中斷和輪詢的方式來接收網絡包，核心就是首先采用中斷喚醒數據接收的服務程序，然后通過poll方法來輪詢數據。
網絡包到達時，網卡發起硬件中斷，執行網卡驅動程序中的中斷處理函數，中斷處理函數完成以后需要暫時屏蔽中斷，然后通過喚醒軟中斷來輪詢處理數據，直到沒有新數據時才恢復中斷，這樣一次中斷可以處理若干個網絡包。
軟中斷如何處理網絡包？
- 從Ring Buffer中拷貝數據到內核緩沖區中，從而把網絡包交給網絡協議棧處理
- 網絡包首先進入網絡接口層，在這一層會檢查報文的合法性，如果不合法則丟棄，合法則會找出該網絡包的上層協議類型，比如是IPv4還是IPv6，接著去掉幀頭幀尾，交給網絡層
- 在網絡層，會取出IP包，判斷網絡包下一步走向，比如交給上層處理還是轉發出去。當確認這個網絡包是要發送給本機以后，就會從IP頭分析上一層的協議是TCP還是UDP，接著去掉IP頭，然后交給傳輸層。
- 傳輸層會取出TCP頭或UDP頭，根據四元組(源IP、源端口、目的IP、目的端口)作為標識，找出對應的Socket，并把數據拷貝到Socket的接收緩沖區
- 最后，應用層程序調用Sokcet接口，從內核的Socket接收緩沖區讀取新的數據到應用層。
網絡包的發送
發送流程和接收流程相反。
網絡層在給數據包增加IP頭時，會通過查詢路由表確認下一跳的IP，并按照MTU進行分片。
分片后的網絡包，在到達網絡接口層后，會通過ARP協議獲取下一跳的MAC地址，然后增加幀頭幀尾，放到發包隊列中。
一切準備好以后，會觸發軟中斷告訴網卡驅動程序需要發送網絡包，驅動程序通過DMA從發包隊列中讀取網絡包，將其放到網卡的隊列中，隨后網卡將網絡包發出去。
