网络基本原理

article/2025/9/29 1:37:16

一、网络与网卡

网络：进程与进程间跨主机（Host）通信
网卡：
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网卡发送数据：1.填充数据 2.触发发送
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网卡接收数据：1.接收数据 2.通过中断把控制权交给OS 3.OS把数据搬给进程

数据经过不断的封装之后才能发送，有不同层次来实现网络，现代网络都是分层讨论的。
 

二、网络分层

OSI/RM协议：包括体系结构，服务定义，协议规范三级抽象，将网络分为七层。
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

TCP/IP协议：分为五层，物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
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三、UDP 与 TCP

（一）UDP协议(User Datagram Protocol)

职责：在网络层的基础上实现了进程to进程的的通信
特点：不可靠、无连接、面向数据报文

1.包头

UDP协议的包头信息：UDP添加的封装（解包、分用）
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特点：

  • 定长（8字节）：很容易做解包
  • 源端口 + 目的端口 ：做分用（进程 to 进程）
  • 校验和（checkusm）：防止错误数据的类似哈希的算法
          发送端：hash(有效数据) => h1
          接收端：hash(有效数据) => h2
    当h1 != h2时，数据一定出错，直接丢弃；h1 == h2时，大概率认为还是数据源数据。

2.发送

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  • 填充端口
  • 计算长度 + 填充长度
  • 计算checkusm + 填充checkusm
  • 立即将数据交给网络层（UDP协议栈内部没有发送缓冲区）

3.接收

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  • 从网络层接收数据

  • 通过计算校验和检测数据是否出现错误，如果出现错误则直接丢弃

  • 数据没有错，根据自己内部维护Map<port,pid>找到对应接收进程（如果找不到对应进程，丢弃）

  • 看对应进程是否准备好一块内存，如果暂时没有，需要暂时把数据保存一段时间

  • 把数据复制到对应的内存空间 byte[] buf

（二）TCP协议(Transmission Control Protocol)

特点：可靠、有连接、面向字节流

1.包头

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特点：

  • 源/目的端口号：表示数据从哪个进程来，到哪个进程去
  • 32位序号：携带本次发送数据的编号
  • 32位确认序号：填写下一个期望收到的第一个字节的编号，该编号之前的数据都已收到
  • 4位首部长度：表示头部有多少个4字节，所以TCP头部最大长度为60字节
  • 标注位：
           URG：紧急指针是否有效
           ACK：确认号是否有效
           PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
           RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
           SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
           FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段
  • 16位窗口大小：接收端缓冲区大小，用于流量控制
  • 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。
  • 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据

2.TCP的可靠性

  • TCP会尽最大努力讲数据发送给对方
  • 如果遇到发送不过去的情况，TCP会告诉进程发送失败
  • 保证不会收到错误的数据
  • 保证收到的数据一定是有序的
  • TCP会根据对方的接收能力和网络线路的承载能力进行流量控制

实现可靠性的机制：确认应答机制（数据编号机制+超时重传机制）、流量控制

3.确认应答机制

（1）应答
确认应答机制：接收方有责任对收到的数据进行确认应答
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  如果同时收到多份数据，如何确认应答的是那份数据？
      对数据进行编号——序列号
报头中的32位序号部分携带本次发送时数据的编号，每个字节占用一个序号，序号采用本次发送数据的第一个字节的编号。

例如：
      序号从1开始  [abcd]   SN =1     [efgh]   SN=5

（2）确认
确认段：一个数据既可以起到发送数据的角色，也可以取到确认的角色。
发送：携带有数据，填写正确的SN，就是发送段。
确认：标志位ack置1，代表起到了确认的作用，需要填写确认序列号（ASN)。
确认序列号：填写下一个期望收到的第一个字节的编号，换言之，ASN之前的数据已经全部收到了。

例如：
      序号从1开始  发送[abcd]   SN=1 ；确认ack=1,ASN=5
                  发送[efgh]   SN = 5 ;  确认ack=1,ASN=9

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ps：发送端和接收段的TCP会维持着各自的发送SN。

（3）超时重传机制

当我们发送了一份数据没有收到应答时，可能发生了什么？
 

  1. 对方没有收到     2. 对方收到并且应答了，但应答没有发送过来
     

我们不应该无限制等下去（超时timeout机制），重新发送数据。

TCP的发送端不用关心没收到应答的原因是什么，统一采用超时重传机制即可。如果接收端真的收到了重复数据，直接丢弃即可。这需要接收端根据数据中的序号进行去重操作。

超时时间的设置：一般这个时间不是一个定长，而是逐步变长。
例如：  在Linux中以500ms为一个单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。
        500ms —> 500ms * 2 —> 500ms * 4 —> 500ms * 8

超时重传具有次数上限，达到上限发送方（TCP）认为本次数据线路出现重大问题。
  1. TCP关闭本次连接；
  2. TCP会通知进程（在Java中，采用异常方式IOException）；
  3. TCP会发送一个 reset segment出去。

作为TCP的发送方，经过一段时间之后可以知道线路有问题。
作为TCP的接收方，无法得到线路有问题（无法确定对方没有发送数据，还是发送失败）。

4.连接管理机制（3次握手、4次挥手）

TCP为什么要建立连接？
1.必须确认对方存在才能”可靠“地传输
2.交换一些必要的数据：SN不是直接从1开始，由双方各自随机生成，随后需要交换

（1）三次握手
建立连接阶段：
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由于(2)和(3)几乎是同一时间发生的，TCP的segment可以既承载发送数据又承载应答功能，所以(2)(3)会被合并：
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从标志位的角度看：
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从序列号角度：
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从TCP状态变更角度：
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CLOSED:虚拟状态
LISTEN:被动连接方（服务器）已启动，但还未建立连接
SYN_RCVD:收到了sync
SYN_SENT:sync已经发送

  当双方都处于ESTABLISHED状态时，连接建立。TCP连接是全双工的，双方地位相等，谁都可以通过这条连接发送数据或接收数据。

(2)四次挥手
主动连接方不一定是主动断开方，断开连接中的应答和请求可以合并、也可以不合并，所以分为：三次挥手、四次回收、同时回收。
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三次挥手：
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四次挥手：
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同时回收：
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为什么主动关闭方要有TIME_WITE状态，不能直接走到CLOSED？
1.TCP协议内部通过五元组信息区分连接，当一个连接关闭之后，如果直接释放，则五元组信息可能被再次使用。此时收到发送给这条连接的数据时，不知道是发送给旧连接和新连接。
2.防止最后一个ACK丢失，对方超时重发FIN。（当收到重传的FIN时，重制2MSL的等待时间）。

TCP状态转化汇总：
TCP状态转化汇总
（3）异常关闭
   进程收到一个 reset segment之后，TCP直接关闭连接。

TCP异常情况：

  1. 进程终止：进程 终止会释放文件描述符，任然可以发送FIN，和正常关闭没有区别。
  2. 机器重启：和进程终止情况相同。
  3. 机器断电/网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收段发现连接已经不在了，就会reset。即使没有写入操作，TCP自己内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在。一旦对方不在，就会释放连接。
    应用层的某些协议也会有这样的检测机制。例如HTTP长连接中，也会定期检测对方的状态。比如QQ断线之后会定期尝试重连。

5.流量控制

（1）滑动窗口机制
   刚才我们讨论了确认应答策略，对每一个发送的数据段，都要给一个ACK确认应答。收到ACK后再发送下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点，就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候。那么我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能（其实是将多个段的等待时间重叠在一起了）。
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  • 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节（四个段)；
  • 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送； 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据；依次类推；
  • 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
  • 窗口越大，则网络的吞吐率就越高；

那么如果出现了丢包，如何进行重传？

  1. 数据包已经抵达，ACK被丢了。
    这种情况下，部分ACK丢了并不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认；
  2. 数据包就直接丢了。
    当某一段报文段丢失之后，发送端会一直收到 1001 这样的ACK，就像是在提醒发送端 “我想要的是 1001” 一样；
    如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答，就会将对应的数据 1001 -2000 重新发送；
    这个时候接收端收到了 1001 之后，再次返回的ACK就是7001了（因为2001 - 7000）接收端其实之前就已经收到了，被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中；

这种机制被称为 “高速重发控制”（也叫 “快重传”）。

（2）流量控制

  接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制（FlowControl）。

  • 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段，通过ACK端通知发送端；
  • 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高； 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；
  • 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
  • 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

（3）拥塞控制
   虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据，仍然可能引发问题。
   如何得知网络承载能力？   拥塞窗口
   拥塞窗口没有一个精确的值，只能采用一些算法来推算拥塞窗口，这个算法在不断发展中。
方法：慢开始+快增长
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  当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1。发送窗口取拥塞窗口和接收窗口的最小值，同样按照滑动窗口机制进行控制。

四、IP协议

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  • 4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
  • 4位头部长度（header length）：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节
    数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
  • 8位服务类型（Type Of Service）：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于 ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
  • 16位总长度（total length）：IP数据报整体占多少个字节。
  • 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
  • 3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0。类似于一个结束标记。
  • 13位分片偏移（framegament offset）：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是 在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8得到的。因此， 除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。
  • 8位生存时间（Time ToLive，TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -=1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出 现路由循环。
  • 8位协议：表示上层协议的类型。
  • 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
  • 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。

五、数据链路层重点协议

（一）以太网帧格式

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  • 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；
  • 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
  • 帧末尾是CRC校验码。

（二）MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）；
不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
每个小包IP协议头的 16位标识（id） 都是相同的；
每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）；
到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；

MTU对于TCP协议的影响:

TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS（Max Segment Size）；
TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商;
最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于
数据链路层的MTU）;
双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值;
然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS;
MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind=2）

（三）ARP协议

  ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；


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