Linux网络

佚名 6年前 (2019-05-05) 随笔 1162人围观抢沙发百度已收录

网络是Linux系统最核心的功能，网络把计算机或局域网连接到一起，本质上是一种进程间通讯的方式，特别是跨系统的进程间通讯，必须通过网络。

网络模型

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网络中常提起的有七层负载均衡，四层负载均衡，三层设备，二层设备。

这些层来自于国际标准组织定制的 开放式系统互联通讯参考模型（Open systen Interconnection Reference Model）, 简称 OSI 网络模型。

OSI 模型把网络互联的框架分为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

应用层：负责为应用程序提供统一的接口。

表示层：负责把数据转换成兼容接受系统的格式。

会话层：负责维护计算机之间的通信连接。

传输层：负责为数据加上传输表头，形成数据包。

网络层：负责数据的路由和转发。

数据链路层：负责MAC寻址、错误侦测和改错。

物理层：负责在物理网络中传输数据帧。

OSI 模型有些复杂，也没提供一个可实现的方法，所以在Linux中，我们实际上使用的是四层模型，TCP/IP网络模型。

TCP/IP模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层。

应用层：负责性用户提供一组应用程序，如 HTTP、FTP、DNS等。

传输层：负责端到端的通信，如TCP、UDP等。

网络层：负责网络包的封装，寻址和路由，如IP、ICMP等。

网络接口层：负责网络包在物理网络中的传输，如MAC寻址、错误侦测、通过网卡传输网络帧等。

Linux实际按照TCP/IP模型，实现网络协议栈，平时交流习惯上海市用OSI七层模型描述，七层和四层负载均衡，对应的分别是OSI模型中的应用层和传输层（对应到TCP/IP模型中，实际上是四层和三层）。

Linux网络栈

有了TCP/IP模型后，在网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上改层的协议头，再发送给下一层。

网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议，如在应用层，一个提供REST API的应用，

可以使用HTTP协议，把需要传输的JSON数据封装到HTTP协议中，然后向下传递给TCP层。

封装就是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。

如：通过TCP协议通信的网络包为例，如图，应用程序在每一层的封装格式：

其中：

传输层在应用程序数据前面增加了TCP头；
网络层在TCP数据包钱增加了IP头；
网络接口层在IP数据包前后分别增加了帧头和帧尾。

新增的头部和尾部，按照特定的协议格式填充：

TCP协议：

TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的基于字节流的传输层通信协议。TCP将用户数据打包成报文段，它发送后启动一个定时器，另一端收到的数据进行确认、对失序的数据重新排序、丢弃重复数据。
TCP的特点有：

TCP是面向连接的运输层协议
每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的
TCP提供可靠交付的服务
TCP提供全双工通信。数据在两个方向上独立的进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。
面向字节流。面向字节流的含义：虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据仅仅是一连串的无结构的字节流。

TCP协议三次握手四次挥手：

特别注意

Seq：是发送方当前报文的顺序号码。
ack：是发送方期望对方在下次返回报文中给回的Seq。

建立连接需要三次握手

第一次握手：客户端向服务端发送连接请求包，标志位SYN（同步序号）置为1，顺序号码为X=0。

第二次握手：服务端收到客户端发过来报文，由SYN=1知道客户端要求建立联机，则为这次连接分配资源。并向客户端发送一个SYN和ACK都置为1的TCP报文，设置初始顺序号码Y=0，将确认序号(ack)设置为上一次客户端发送过来的顺序号(Seq)加1，即X+1 = 0+1=1。

第三次握手：客户端收到服务端发来的包后检查确认号码(ack)是否正确，即第一次发送的Seq加1（X+1=1）。以及标志位ACK是否为1。若正确，服务端再次发送确认包，ACK标志位为1，SYN标志位为0。确认号码(ack)=Y+1=0+1=1，发送顺序号码(Seq)为X+1=1。Server收到后确认号码值与ACK=1则连接建立成功，可以传送数据了。

断开连接需要四次挥手

提醒：中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。只要将下面两角色互换即可。
第一次挥手：客户端给服务端发送FIN报文，用来关闭客户端到服务端的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1，顺序号码为X=1，确认号码为Z=1。意思是说”我Client端没有数据要发给你了，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK过来。”

第二次挥手：服务端收到FIN后，发回一个ACK(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1，即X=X+1=2。顺序号码为收到的确认号码=Z。意思是说“你的FIN请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息" 这个时候客户端就进入FIN_WAIT状态，继续等待服务端的FIN报文。

第三次挥手：当服务端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN报文，关闭与客户端的连接。标志位FIN和ACK置为1，顺序号码为Y=1，确认号码为X=2。意思是告诉Client端“好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。”

第四次挥手：客户端收到服务器发送的FIN之后，发回ACK确认(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1，即Y+1=2。顺序号码为收到的确认号码X=2。意思是“我Client端知道可以关闭连接了，但是我还是不相信网络，怕 Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。“（在TIME_WAIT状态中，如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了，它将重新发送。TIME_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭，并且所有的资源(包括端口号)都被释放。）

为什么关闭的时候却是四次挥（握）手？
因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

TCP头部格式：

1.源端口号,16位，发送方的端口号。

2.目标端口号，16位，发送方的目标端口号。

3. 32为序列号，sequence number，保证网络传输数据的顺序性。

4. 32位确认号，acknowledgment number，用来确认确实有收到相关封包，内容表示期望收到下一个报文的序列号，用来解决丢包的问题。

5. 头部大小，4位，偏移量：最大值为0x0F，即15,

单位为32位(bit)，单位也就是4个字节，给出头部占32bit的数目。没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节；最多可以有60(15*4)字节的TCP头部。

6. Reserved 4位，预留字段，都为0

7. TCP标志位

新增的头部和尾部，增加了网络包的大小，但物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大单元(MTU)，规定了最大IP包大小。常用的以太网中，MTU默认值是1500（也是Linux的默认值）。

网络包超过MTU的大小就会在网络层分片，保证分片后的IP包不大于MTU值。MTU越大，需要分包就越少，网络吞吐能力也就越好。

Linux通用IP网络栈类似于TCP/IP四层结构：

最上层应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互；
套接字的下面，就是传输层，网络层和网络接口；
最底层，是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

网卡是收发网络包的基本设备，在系统调用过程中，玩那个卡通过内核中网卡驱动程序注册到系统。网络收发过程中，内核通过中断网卡进行交互。

网络包处理非常复杂，在网卡硬中断只处理最核心的网卡读取和发送，协议中那个的大部分逻辑，会放到软中断中处理。

Linux网络收发流程

Linux支持众多的虚拟网络设备，网络收发会有些差别。

网络包的接收流程

网络帧到达网卡后，网卡会通过DMA方式，把这个网络包放到收包队列；然后通过硬中断，告诉终端处理程序已经收到网络包。
接着网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），将其拷贝到sk_buff缓冲区中，再通过软中断，通知讷河收到新的网络帧。
接着，内核协议栈从缓冲区取出网络帧，通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。如：
在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（如IPv4或IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
网络层取出IP头，判断网络包下一步走向，如交给上层还是转发。当网络层确认这个包是要送到本机后，就会取出上层协议中的类型，（如 TCP还是UDP），去掉IP头，再交给传输层。
传输层取出TCP或UDP头后，根据 < 源IP、源端口。目的IP、目的端口>四元组作为标识，找出相对应的Socket，并把数据拷贝到Socket的接受缓存中。