一个网络包的心路历程

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摘要

1. 网络模型
2. 网络协议栈
3. 网络包接收流程
4. 网络包发送流程

网络模型

网络模型按照标准有几类划分？

• OSI模型
• TCP/IP模型

OSI模型的划分层次？

• 应用层：负责给应用程序提供统一的接口
• 表示层：负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式
• 会话层：负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话
• 传输层：负责端到端的数据传输
• 网络层：负责数据的路由、转发、分片
• 数据链路层：负责数据的封帧和差错检测，以及MAC寻址
• 物理层：负责在物理链路中传输数据帧

为什么出现了TCP/IP模型？

OSI模型过于复杂，只是概念理论上的分层，没有具体的实现方案。

TCP/IP模型的分层？

• 应用层：负责向用户提供一组应用程序，比如HTTP、DNS、FTP等
• 传输层：负责端到端的数据传输，比如TCP、UDP等
• 网络层：负责网路包封装、分片、路由、转发，比如IP、ICMP等
• 网络接口层：负责网络包在物理网络中的传输，比如网络包的封帧、MAC寻址、差错检测以及通过网卡传输网络帧等

OSI模型和TCP/IP模型的层次对应关系如下图：

网络协议栈

网络通信的主机间必须要遵从一定的网络协议。我们的网络包每经过一层，都会被当前层进行一定的包装，当到达目的主机时，也会进行拆包装操作。

每一层给数据包做了哪些包装？

• 传输层：在数据包前面增加了TCP头
• 网络层：在传输层数据包的基础上增加了IP头
• 网络接口层：在网络层数据包的基础上增加了帧头帧尾

物理链路中的最大传输大小是？

在以太网中规定，最大传输单元（MTU）是1500字节，即网络层IP包的最大值。当IP数据包超过MTU时，就需要在网络层对其进行分片传输。

Linux中网络协议栈大体组成

• 应用程序需要通过系统调用，来跟Socket层交互
• Socket层的下面就是传输层、网络层和网络接口层
• 最下面的一层则是网卡驱动程序和网卡硬件设备

网络包接收

主机中网络包的门神是？

网卡，专门负责接收和发送网络包，网卡接收到一个网络包以后，会通过DMA技术，将网络包放入到Ring Buffer（环形缓冲区）。

操作系统是如何判断一个网络包到达？

• 中断：如果网络包过多，CPU会被频繁中断，影响系统效率
• NAPI机制

NAPI机制是什么？

混合中断和轮询的方式来接收网络包，核心就是首先采用中断唤醒数据接收的服务程序，然后通过poll方法来轮询数据。

网络包到达时，网卡发起硬件中断，执行网卡驱动程序中的中断处理函数，中断处理函数完成以后需要暂时屏蔽中断，然后通过唤醒软中断来轮询处理数据，直到没有新数据时才恢复中断，这样一次中断可以处理若干个网络包。

软中断如何处理网络包？

1. 从Ring Buffer中拷贝数据到内核缓冲区中，从而把网络包交给网络协议栈处理
2. 网络包首先进入网络接口层，在这一层会检查报文的合法性，如果不合法则丢弃，合法则会找出该网络包的上层协议类型，比如是IPv4还是IPv6，接着去掉帧头帧尾，交给网络层
3. 在网络层，会取出IP包，判断网络包下一步走向，比如交给上层处理还是转发出去。当确认这个网络包是要发送给本机以后，就会从IP头分析上一层的协议是TCP还是UDP，接着去掉IP头，然后交给传输层。
4. 传输层会取出TCP头或UDP头，根据四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）作为标识，找出对应的Socket，并把数据拷贝到Socket的接收缓冲区
5. 最后，应用层程序调用Sokcet接口，从内核的Socket接收缓冲区读取新的数据到应用层。

网络包的发送

发送流程和接收流程相反。

网络层在给数据包增加IP头时，会通过查询路由表确认下一跳的IP，并按照MTU进行分片。

分片后的网络包，在到达网络接口层后，会通过ARP协议获取下一跳的MAC地址，然后增加帧头帧尾，放到发包队列中。

一切准备好以后，会触发软中断告诉网卡驱动程序需要发送网络包，驱动程序通过DMA从发包队列中读取网络包，将其放到网卡的队列中，随后网卡将网络包发出去。