计算机网络

Mar 08, 2025 12:16 PM

Mar 10, 2025 7:49 AM

尽量保证描写的清楚，且简洁。

TCP/IP 模型

四层：

应用层：
- HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP
- 应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。
传输层：加上 TCP 头部
- TCP(大部分) 和 UDP
  - TCP: 流量控制、超时重传、拥塞控制(保证数据包能可靠地传输给对方),当数据非常大：数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度），需要将数据包分块(TCP 段)，这样丢包损失较小
  - UDP：不保证数据包是否能抵达对方，但它实时性相对更好，传输效率也高
- 当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，需要用一个编号将应用区分开来，即端口
网络层：(传输功能)加上 IP 头部
- IP：网络号+主机号(哪个子网+子网下的哪个主机)
  - 将主机和子网掩码进行与运算，得到网络号，将主机和子网掩码取反值进行与运算得到主机号
- IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。
网络接口层：加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到网络上
- 网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务，负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标识网络上的设备。

网络解析网址的方式：

URL:协议+//+服务器名称+/.../(数据源的路径)

通俗版解析：从输入网址到网页显示的全过程

1. 第一步：浏览器解析网址（找地址）
• 比喻：就像你想去朋友家，但只知道小区名，不知道具体门牌号。
• 过程：
• 拆解 URL：浏览器把网址拆成「域名」（如 www.example.com）和「路径」（如 /index.html``）。 • **检查缓存**：先翻自己的「小本本」（浏览器缓存）看有没有记录过这个域名的 IP 地址。 • **问操作系统**：如果小本本没记，就问电脑管家（操作系统）：“你记得 www.example.com` 的地址吗？”

2. DNS 查询：全网找门牌号
• 比喻：打电话问 114 查号台，但需要层层转接。
• 过程：

本地 DNS 服务器（小区物业）：
◦ 先查自己的记录，没有就联系上级。
根 DNS 服务器（全球总台）：
◦ 回答：“.com 的顶级 DNS 服务器地址是X.X.X.X，你问它。”
顶级域 DNS（.com 管理局）：
◦ 回答：“example.com 的权威 DNS 服务器是Y.Y.Y.Y，你问它。”
权威 DNS 服务器（朋友小区的物业）：
◦ 最终给出 IP 地址：“门牌号是 93.184.216.34！”
• 结果：浏览器拿到 IP 地址，准备出发。

3. 建立 TCP 连接：确认对方在家
• 比喻：打电话给朋友，先确认他是否在线。
• 三次握手：

你（客户端）：“喂，能听到吗？”（发送 SYN 包）
朋友（服务器）：“能听到，你说话吧！”（回复 SYN-ACK 包）
你：“好的，我要说正事了！”（发送 ACK 包）
• 结果：连接建立，开始传输数据。

4. 发送 HTTP 请求：打包你的需求
• 比喻：写一封信，告诉朋友你要借哪本书。
• 内容：
• 请求行：“GET /index.html HTTP/1.1”（我要首页）
• 请求头：附加信息（浏览器类型、支持的语言等）。
• 请求体：如果是登录请求，会包含账号密码。

5. 数据包旅行：跨城快递
• 比喻：把信交给快递员，经过多个中转站。
• 过程：

封装成 TCP 包：信纸装进信封（TCP 头部），写上序号（防止丢件）。
封装成 IP 包：套上快递袋（IP 头部），写清发件人（你的 IP）和收件人（服务器 IP）。
MAC 地址定位：快递员（交换机）根据门牌号（MAC 地址）送到小区门口。
路由器接力：
◦ 小区门口快递站（路由器）检查地址：“这封信要跨省，先送到省中心！”
◦ 省中心再转发到目标城市，直到抵达朋友家。

6. 服务器处理：拆信并回信
• 比喻：朋友收到信，找到书后回寄给你。
• 过程：
• 拆包：服务器一层层剥开 IP、TCP 头部，看到 HTTP 请求。
• 处理请求：读取 /index.html，从硬盘找到文件。
• 生成响应：把 HTML 内容塞进 HTTP 响应包，反向封装（TCP→IP→MAC）。
• 回传：按原路返回，经过路由器、交换机，最终到你的电脑。

7. 浏览器渲染：拆包裹拼图
• 比喻：收到回信后，把碎片拼成完整的画。
• 过程：
• 接收数据包：按 TCP 序号重组文件。
• 解析 HTML：读取文本、图片、CSS 样式。
• 渲染页面：把代码变成你看到的按钮、文字、图片。

关键概念通俗解析

术语	通俗解释	类比
DNS	把网站名翻译成数字地址的电话簿	查号台（114）
TCP	确保数据完整送达的“快递保价服务”	快递员打电话确认你收到包裹
IP 地址	设备的全球唯一“门牌号”	家庭住址（XX 省 XX 市 XX 街道）
MAC 地址	设备的“身份证号”，用于同一网络内精准定位	快递柜编号（A 区 3 号柜）
路由器	跨网络转发数据的“中转站”	跨省快递分拣中心
交换机	同一网络内转发数据的“快递柜”	小区内的快递代收点

Linux 网络包收发机制

一、网络模型基础

OSI 七层模型（理论模型）：
• 应用层（用户接口）
• 表示层（数据格式转换）
• 会话层（建立/管理连接）
• 传输层（端到端传输）
• 网络层（路由和寻址）
• 数据链路层（物理寻址）
• 物理层（比特流传输）
TCP/IP 四层模型（实际实现）：
• 应用层（HTTP/FTP/DNS 等）
• 传输层（TCP/UDP）
• 网络层（IP/ICMP）
• 网络接口层（以太网/WiFi）

关键区别：TCP/IP 模型将 OSI 的上三层合并为应用层，更注重实用性。Linux 系统采用 TCP/IP 模型实现。

二、数据封装过程（发送时）
以发送"Hello"字符串为例：

应用层：原始数据 "Hello"
↓ 添加TCP头（源/目标端口、序列号等）
传输层：[TCP头]+"Hello"
↓ 添加IP头（源/目标IP地址）
网络层：[IP头]+[TCP头]+"Hello"
↓ 添加帧头帧尾（MAC地址、CRC校验）
网络接口层：[帧头]+[IP头]+[TCP头]+"Hello"+[帧尾]

三、接收网络包流程

硬件接收阶段：
• 网卡通过 DMA 将数据包存入环形缓冲区（Ring Buffer）
• 触发硬件中断通知 CPU
中断处理优化（NAPI 机制）：
• 传统方式：每个包都触发中断 → 高负载时 CPU 被频繁打断
• NAPI 方案：
◦ 首次中断唤醒处理线程
◦ 后续采用轮询方式批量处理多个数据包
◦ 减少中断次数，提升吞吐量
协议栈处理：

关键数据结构：
• sk_buff：贯穿整个协议栈的核心数据结构
• 通过指针调整实现零拷贝：

struct sk_buff {
    unsigned char *head; // 缓冲区起始
    unsigned char *data; // 当前协议层起始
    unsigned char *tail; // 数据结束
    unsigned char *end;  // 缓冲区结束
};

四、发送网络包流程

应用层发起：

send(socket_fd, buffer, len, 0); // 系统调用

内核处理过程：
• 创建 sk_buff 并拷贝用户数据
• 逐层添加协议头：

graph LR
A[应用数据] --> B[添加TCP头]
B --> C[添加IP头]
C --> D[添加帧头帧尾]

TCP 重传机制：
• 克隆 sk_buff 副本发送
• 原始包保留直到收到 ACK
• 实现可靠传输的核心机制

分片处理（MTU 限制）：
• 当 IP 包超过 1500 字节时：

def fragment(packet):
    chunks = []
    while len(packet) > MTU:
        chunk = packet[:MTU-20]  # 保留IP头空间
        chunks.append(add_ip_header(chunk))
        packet = packet[MTU-20:]
    chunks.append(add_ip_header(packet))
    return chunks

五、关键性能优化点

零拷贝技术：
• sendfile 系统调用：文件→Socket 直接传输
• 减少用户态与内核态数据拷贝
多队列网卡：
• 每个 CPU 核心绑定独立队列
• 避免缓存行竞争
TSO/GSO：
• TCP Segmentation Offload：网卡硬件分片
• Generic Segmentation Offload：内核延迟分片

六、完整流程对比

接收流程	发送流程
1. 网卡 DMA 到 Ring Buffer	1. 应用调用 send()
2. 触发硬中断	2. 创建 sk_buff 并拷贝数据
3. ksoftirqd 软中断处理	3. 协议栈逐层封装
4. 协议栈逐层解析	4. 分片处理（如果需要）
5. 数据存入 Socket 缓冲区	5. ARP 查询下一跳 MAC
6. 应用 read()读取	6. 网卡 DMA 发送

七、常见问题解答
Q：为什么需要三次内存拷贝？
A：发送时的三次拷贝：

用户空间→内核 sk_buff
TCP 重传保留副本
IP 分片时产生新副本

Q：MTU 设置 1500 字节的历史原因？
A：源自早期以太网的电气特性限制，现代网络可通过 Jumbo Frame（9000 字节）提升吞吐量。

Q：如何查看协议栈统计？

netstat -s       # 统计摘要
ethtool -S eth0  # 网卡详细统计
cat /proc/net/softnet_stat # 软中断统计

TCP/IP 模型

网络解析网址的方式 ：

通俗版解析：从输入网址到网页显示的全过程

Linux 网络包收发机制

HTTP

网络解析网址的方式：