收发数据的原理（上）

前言：网络知识非常的重要，如果你不是做程序的，那么一些网络常识还是得知道的；而做程序的，就更不用说了，不仅需要了解一些网络知识，还是知道其原理，如果不了解原理，不敢说他不是程序员，但是总缺了点意思，就像去北京没去过长城一样。

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五分钟了解网络连接

讲了网络连接的大概流程，并且文末讲到客户端委托协议栈收发数据可以总结为四步：

1、创建套接字（创建套接字阶段）

2、将管道连接到服务器端的套接字上（连接阶段）

3、收发数据（通信阶段）

4、断开管道并删除套接字（断开阶段）

本文会对前两个步骤展开描述，后面两个步骤，下一篇文章介绍，敬请关注！由于网络知识点非常繁杂，读者请沉住气阅读此文，我尽可能详细介绍，尽可能的不那么枯燥，所以本文介绍也有侧重点。读完本文，你可能会对一些知识恍然大悟，哦，原来是这样啊！好了，废话不多说，直接进入主题。

创造套接字

协议栈的内部结构

上面是协议栈的内部结构。分为接个部分。上面部分会向下面的部分委派工作。

应用程序的下面是Socket库，其中包括解析器，解析器向DNS服务器发出查询，它的工作过程我们在上一篇已经介绍过了。

再下面就是操作系统内部了，其中包括协议栈。协议栈的上半部分有两块，分别是负责用TCP协议收发数据的部分和负责用UDP协议收发数据的部分，它们会接受应用程序的委托执行收发数据的操作。关于TCP和UDP，会在后面文章讲解，目前只要知道像浏览器、邮件等一般的应用程序、QQ文件传输都是使用TCP收发数据的，而像DNS查询、QQ语音 、QQ视频等收发较短的控制数据的时候则使用UDP。

协议栈的下半部分是利用IP协议控制网络包收发数据的部分，在互联网中发送数据，需要将数据分成一个个小的网络包，然后将网络包发送给通信对象就是由IP负责的。另外，ICMP用于错误提示以及各种控制消息，ARP则是用于查询IP相应的以太网MAC地址。现在只需要大概知道这个名词，后面才会细讲。

IP下面是驱动程序负责控制网卡硬件，最下面的网卡则是负责完成实际的收发操作——对网线中的信号执行发送和接受操作。

套接字的实体

实际上套接字并没存在实体，只是一个概念。在协议栈内部有一块存放控制信息的内存空间，用于记录通信操作的控制信息。比如通信对象的IP地址、端口号、通信操作的状态等。所以硬要说套接字是个实体，那就是这些控制信息或者是保存这些控制信息的内存空间。

协议栈执行操作时需要参阅这些控制信息。来决定下一步该做什么。比如：发送数据时，看看IP地址和端口号；发送数据后，协议栈需要等待对方返回数据的响应信息，但是数据可能会半途丢失。我们不可能一直等待，所以套接字中需要记录是否已经收到或者发送数据了多久，才方便知道是否要重发数据。套接字的控制信息还有很多作用，在此不一一列举了。

协议栈是根据套接字中记录的控制信息工作的。

调用Socket库中的组件

创建套接字时，需要调用Socket库中的socket组件，注意这里，大写的是Socket，小写是库中的一个程序组件。

应用程序调用socket程序申请创建套接字，而协议栈则根据应用程序的申请执行创建套接字的操作。

在创建过程中，协议栈会分配一个用于存放套接字所需的内存空间，用于存放记录套接字操作的控制信息。创建套接字时，数据收发操作还没开始，所以把这初始状态的信息存入内存空间中。到此，创建套接字操作完成。

创建套接字，不仅要分配空间，而且需要初始化状态信息。

然后，套接字需要将它的描述符告诉应用程序。描述符相当于车库号，告诉我车库号，我才知道哪个才是我要的车库。同样，描述符是用在应用程序委托协议栈收发数据的时候。套接字包含了通信对象的信息，比如已经说过的IP地址、端口号，所以应用程序收到套接字的描述符，应用程序再提供给协议栈，协议栈就知道了套接字中所包含的通信对象信息，就可以准备连接通信对象了。

连接服务器

关于连接

因为历史原因，其实这里的“连接”就更像是通信前的准备，叫“准备”其实更适合

调用socket程序申请创建完套接字，然后应用程序会调用Socket库的另外一个程序组件connect，这样协议栈就会将本地的套接字与服务器的套接字进行连接。这里的连接是指通信双方交换控制信息，在套接字记录一些必要信息并准备数据收发的一连串操作。

我们说的连接不是指网线一直插着的连接，不是指通信过程中将数据转换成电信号。而是当应用程序委托发送数据时，协议栈通过描述符找到的套接字取得通信对象的IP地址和端口号等信息。这属于连接操作的目的之一。

说完应用程序，再说下服务器那边，服务器也会创建套接字，但是服务器的协议栈和客户端这边一样，没有类似一个描述符的东西就没办法知道通信对象，没法开始通信。所以得有客户端先开始请求，告诉服务器必要信息。比如“我要和你请求，我的IP地址是10.10.1.118，端口号是8900”。所以，应用程序向服务器发送请求，也是连接操作的目的之一。

连接实际上通信双方交换控制信息，在套接字中记录必要信息并准备数据收发的一连串操作。

控制信息，是控制数据收发操作的一些信息。IP地址、端口号就属于其中的信息。其余的控制信息，我们后面再介绍。双方通过通信规则进行信息交换从而完成数据收发准备。收发操作，需要一块临时存放要收发的数据的内存空间，这块内存空间叫做缓冲区，它是在连接操作过程中分配的。

关于控制信息头部

控制信息可以分为两类。一是客户端和服务器相互联络时交换的控制信息。二是保存在套接字中，用来控制协议栈操作的信息。

第一类：客户端和服务器交换的控制信息，不仅是在连接时需要，包括数据收发和断开连接操作在内，整个通信过程都需要。我们前面说过，数据会被分成一个个网络包发送，而这些信息就是被添加在客户端与服务器传递的网络包的开头。在连接阶段，由于数据收发还没有开始，网络包中没有实际数据，只有控制信息。这些控制信息位于网络包的开头，因此成为头部。当然，以太网和IP协议也有自己的头部（包含着控制信息）,为了避免不同头部混淆，我们一般记作TCP头部，以太网头部、IP头部。本文主要讲解TCP头部，其余知识后面再讲，读者有兴趣可先自行查阅。

客户端和服务器在通信中会将必要的信息存放在头部并相互确认。大家现在要知道的就是头部是用来记录和交换控制信息的。

第二类:套接字中的控制信息。这里会保存应用程序传递来的信息以及从通信对象接收到的信息，还有收发数据操作的执行状态等信息也会保存于此，协议栈根据这些信息来执行每一步操作。

通信操作中使用的控制信息分为两类：

(1)头部中的信息

(2)套接字（协议栈的内存空间）中记录的信息

连接操作的实际过程

上面我们已经介绍了连接（准备）操作的含义，接下来看一下具体操作过程。首先是应用程序调用Socket库中的connect，类似下面

connect (,,，…)

上面的调用提供了服务器的IP地址和端口号，这些信息会传递给协议栈中的TCP模块。TCP模块就会与该IP地址对应的对象，也就是与服务器的TCP模块交换控制信息。

tcp-header

seq:(Sequence Number)：本报文段数据的第一个字节的序号

ack:(Acknowledgment Number)：确认号——期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号

控制位包含以下几部分

URG：紧急指针有效位。

SYN：建立连接，当需要建立连接时，他的值为1.即SYN=1

ACK：确认连接，当ACK=1是才有效，ACK=0是此控制位无效。

FIN：断开连接，提出断开连接这一方的值为1.

RST：重新建立连接，值为1时代表重新建立连接。

PSH：要求接收方将数据尽快将数据段送达应用层

上图主要介绍了TCP头部。其中TCP头部目前要认知的有发送方和接收方的端口号,序号（seq）是发送方告诉接收方本报文段数据的第一个字节的序号，ack号是接收方告诉发送方已收到了所有数据的第几个字节。其中ack是Acknowledgment Number的缩写。可能读者纳闷IP地址在哪，IP地址其实在IP头部才有。由于本文重点是介绍TCP，所以下方只给出IP头部图，读者自行阅读

ip-header

应用程序与服务器的TCP模块交换控制信息这一过程包含几个步骤：首先，客户端先创建一个包含表示开始数据收发操作的控制信息的头部（上面所说网络包中开头的控制信息），头部包含很多字段，其中要关注的重点是客户端和服务器的端口号，也就是说，客户端的套接字知道了连接服务器的哪个套接字。然后，我们把头部中的控制位的SYN设置为1，大家可以认为它表示连接。此外，还需设置适当的序号和窗口大小。

连接操作的第一步是在TCP模块处创建表示连接控制信息的头部

通过TCP头部中的发送方和接收方的端口号可以找到要连接的套接字

当TCP头部创建好之后，接下来TCP模块会将信息传给IP模块并委托它进行发送。IP模块执行网络包发送操作后，网络包就会通过网络发送到服务器的IP模块，再由服务器的IP模块把接收到的数据传给服务器自身的TCP模块，这时，服务器的TCP模块会根据TCP头部的信息找到端口号对应的套接字，然后套接字就会写入相应的信息，并把状态改成正在连接。

TCP模块、IP模块分别属于网络原理中OSI模型7层结构的传输层、网络层，而传输层处于网络层的上一层，也就是高一层，要完成传送数据，必须从通信一方的高层传到低层，再通过网络传给通信另外一方的低层，再到那一方的高层完成接收。所以发送数据得从高一层的TCP到低层的IP模块逐一传递。

上述操作完成后，服务器的TCP模块会返回响应，这个过程跟客户端发送数据给服务端一样，需要在TCP头部中设置发送方和接收方端口以及SYN比特。另外，客户端向服务器发送第一个网络包时，由于服务器还没有接受过网络包，所以ACK比特设为0，那么在返回响应就需要将ACK控制位设为1，表示已经收到相应的网络包。网络中经常发生错误，网络包也会丢失。因此通信双方必须相互确认网络包是否已经送达，通信双方如何确认?其实就是通过设置ACK。接下来，服务器TCP模块会讲TCP头部传给IP模块，并委托IP模块向客户端返回响应。

然后，网络包就会返回客户端，通过IP模块到达TCP模块，并通过TCP头部信息确认连接服务器的操作是否成功。如果SYN为1，则表示连接成功，这时会向套接字中写入服务器的IP地址、端口号等信息，同时还会将状态改成连接完毕。到这里，客户端的操作就已经完成。但其实还剩下一个步骤，客户端收到数据后，也要像服务器那样把把ACK设置为1，并发回给服务器，告诉服务器，我已经收到服务器发来的响应包，当服务器收到这个返回包后，连接操作才算全部完成。

有没有觉得上面的双方相互确认网络包操作，似乎很熟悉，没错！它其实就是tcp的三次握手。

TCP三次握手

1.A向B发起建立连接请求：

2.B收到A的发送信号，并且向A发送确认信息

3.A收到B的确认信号，并且向B发送确认信号

连接（准备）操作完成后，套接字可以随时进行收发数据了，这个时候我们可以理解通信双方已经有一条相连的管道，这条管道连接着双方的套接字。当然这条管道并不真正存在，只是业界为了方便理解，比喻而已。

建立连接后，协议栈的连接操作就结束了。也就是说，当初应用程序调用Socket库中connect程序组件操作已经执行完毕，控制流程又重新交回到客户端。等到后面的收发数据操作。

参考文献：

TCP/IP协议族

网络是怎样连接的