网络协议栈介绍-Toy模板网

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一、协议栈简介
网络协议栈是一个网络通信系统的核心组成部分，它由多个网络协议层组成，每一层负责不同的功能。常见的网络协议栈包括TCP/IP协议栈、OSI模型等。

TCP/IP协议栈是当前互联网上最常用的协议栈。它由四层组成，从低至高分别是物理层、数据链路层、网络层和传输层。物理层负责将数据转换为电信号，并通过物理介质进行传输。数据链路层负责将数据分割成帧（Frame）并进行差错检测和纠错。网络层负责将帧路由到目标地址。传输层负责提供可靠的端对端通信，常用的协议有TCP和UDP。

OSI模型是一个理论模型，由七层组成。从低至高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。这种模型的好处是可以将网络协议栈的功能和责任进行划分，方便开发和分析网络协议。

网络协议栈的工作原理是每一层负责将上一层的数据进行封装和处理，并传递到下一层。接收端则按相反的顺序进行解封装和处理，最终将数据传递到应用层。通过这种逐层处理的方式，不同的网络协议可以协同工作，实现可靠和高效的网络通信。

二、一般意义上的协议栈组成
网络协议栈主要包括以下几个层次：

物理层：负责将比特流转换为电信号，并在物理介质上进行传输，如网线、光纤等。
数据链路层：负责在直接相连的两个节点之间传输数据，通过将数据分割成帧（Frame）并添加头部和尾部来实现数据帧的传输。同时，也负责对传输中的错误进行检测和纠正。
网络层：负责将数据从一个节点路由到另一个节点，以实现跨网络的通信。在这一层，每个节点被分配一个唯一的IP地址，用于标识该节点。
传输层：负责在两个节点之间提供端到端的数据传输，例如TCP和UDP协议。TCP协议提供可靠的、面向连接的传输，保证数据的完整性和顺序性；UDP协议提供不可靠的、面向无连接的传输，适用于需要快速传输的应用场景。
应用层：面向最终用户的层次，提供各种应用协议，如HTTP、FTP、DNS等。应用层协议定义了数据的具体格式和传输方式，实现了特定的功能，如Web浏览、文件传输、域名解析等。

当数据从发送端传输到接收端时，网络协议栈在每一层都会对数据进行相应的处理和封装，然后通过网络进行传输。接收端则按相反的顺序进行解封装和处理，最终将数据传递给应用层。通过层与层之间的协作，网络协议栈能够实现可靠、高效的通信。

三、linux内核里网络协议栈的支持和实现
在Linux内核中，网络协议栈的实现主要集中在网络子系统中。Linux网络子系统采用了BSD风格的套接字接口，提供了丰富的网络协议支持。

在Linux内核中，网络协议栈的实现主要包括以下几个关键组件：

网络设备驱动：负责与硬件设备的交互，将数据从网卡接口发送到内核，以及从内核将数据发送到网卡。内核提供了一系列的网络设备驱动，例如以太网卡驱动等。
协议栈：实现了TCP/IP协议栈中的各个协议层，包括物理层、数据链路层、网络层和传输层。例如，在网络层，内核实现了IP协议、ICMP协议、ARP协议等；在传输层，实现了TCP协议和UDP协议等。
套接字接口：提供了应用程序与网络协议栈之间的接口，通过套接字可以创建网络连接、进行数据的发送和接收等操作。Linux内核提供了丰富的系统调用和库函数来使用套接字接口，如socket、bind、listen、connect等。
路由和转发：负责根据目的IP地址选择合适的路径进行数据的转发。内核通过路由表来记录不同IP地址的路径信息，并根据网络报文的目的IP地址进行路由选择。
协议处理：负责对不同层次的网络协议进行处理和分发。无论是接收还是发送数据，内核都会进行相应协议的处理，如封装和解封装数据、生成和验证校验和等。

总的来说，Linux内核中的网络协议栈实现了完整的TCP/IP协议栈，并提供了丰富的网络协议支持和接口。开发人员可以利用这些接口来实现网络应用程序，实现数据的传输和通信。同时，内核还提供了一些网络配置和调优的接口，方便用户进行网络设置和优化。

四、linux内核里协议栈和应用层的交互
linux内核里协议栈是包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，应用层是外部应用实现的具体网络应用。

在 Linux 内核中，网络协议栈通过套接字（Socket）接口与应用层进行交互。

套接字是一种开放式的应用程序接口（API），用于在网络中进行通信。应用程序可以通过套接字接口创建套接字，并使用它来发送和接收数据。套接字接口提供了一组系统调用和库函数，例如 socket、bind、listen、connect、send、recv 等，用于操作套接字。

当应用程序通过套接字接口发送数据时，内核会通过协议栈的相应层次进行处理和封装。数据会从应用层传递到传输层（如 TCP）或网络层（如 IP），然后封装成数据包并通过网卡发送出去。

当数据包到达目标主机后，网卡将其交给内核处理。内核会进行路由选择，决定将数据包传递给哪个进程。然后，数据包会按照协议栈的顺序进行解封装和处理，最终传递到应用层。

在应用层，套接字接口会通知应用程序有新的数据到达。应用程序可以使用 recv 等函数接收数据，并进行相应的处理。

总的来说，Linux 内核中的网络协议栈通过套接字接口与应用层进行交互。应用程序可以通过套接字接口创建套接字，并使用套接字来发送和接收数据。内核会负责将数据从应用层传递到网络层或传输层，并在接收端进行相反的操作，将数据传递给应用层。通过这种方式，应用程序可以通过网络协议栈实现网络通信。

五、网络驱动在linux系统里的协议层表现
网络驱动是一种软件程序，用于管理计算机系统中的网络接口卡（NIC）或网卡。网络驱动程序位于Linux操作系统的内核空间，并驱动与之相对应的硬件设备。

从协议层的角度来看，网络驱动程序通常涉及到物理层和数据链路层。具体来说，网络驱动程序需要处理物理层信号和数据链路层帧的传输。

在物理层，网络驱动程序通过物理介质（如电缆、光纤等）将数据转换为比特流，并将其发送或接收到计算机系统中的网络接口卡。这涉及到处理电子信号、时钟同步等操作。

在数据链路层，网络驱动程序负责将数据帧封装和解封装。在发送方，驱动程序将数据包封装到适当的数据链路层帧中，并添加必要的控制信息，如源MAC地址、目标MAC地址、帧类型等。在接收方，驱动程序会解析接收到的数据链路层帧，提取出数据包并将其传递给上层协议。

需要注意的是，网络驱动程序并不涉及传输层、网络层和上层协议的处理。这些层次的功能通常在操作系统的网络栈中实现，与网络驱动程序相对独立。

总结起来，网络驱动程序主要属于物理层和数据链路层，在Linux系统中负责处理物理层信号转换和数据链路层帧的封装与解封装。它与操作系统的网络协议栈相互配合，共同完成网络通信功能。

六、网络数据包在网络栈里的封装过程和生命周期
数据帧封装是网络协议栈中数据从应用层到物理层的封装过程，而解封装是从物理层到应用层的解封装过程。以下是数据帧封装和解封装的一般过程：

数据帧封装过程：
a. 应用层将数据分段，每个段称为数据报文段。
b. 传输层接收到数据报文段，将其封装为传输层分组（如TCP报文段）。
c. 网络层接收到传输层分组，将其封装为网络层分组（如IP数据报）。
d. 数据链路层接收到网络层分组，将其封装为数据链路层帧（如以太网帧）。
e. 物理层将数据链路层帧转换为比特流，并通过物理介质发送。
数据帧解封装过程：
a. 物理层接收到比特流，并将其转换为数据链路层帧。
b. 数据链路层接收到帧，并解析出网络层分组。
c. 网络层接收到分组，并解析出传输层分组。
d. 传输层接收到分组，并解析出应用层数据报文段。
e. 应用层接收到数据报文段，进行相应的处理。

在数据帧封装过程中，每个协议层都会在上一层的数据基础上添加自己的头部或尾部，并可能进行一些校验和控制信息的计算和添加。在解封装过程中，每个协议层都会从数据中解析出自己的头部或尾部，并执行相应的校验和错误检查。
需要注意的是，不同的网络协议栈可能会有不同的封装和解封装过程，并且实际的封装和解封装过程可能会受到协议和硬件的限制而有所差异。

网络数据包在整个网络协议栈中的生命周期主要包括以下几个阶段：

在网络协议栈中，一个网络数据包的生命周期包括以下几个阶段：

生成和封装：网络数据包首先由应用程序生成，并在应用层进行封装。这包括将数据划分为合适的报文段，添加报文头部和尾部，并进行相应的编码和加密操作。
路由和转发：在网络层，数据包被添加网络层头部信息，如源IP地址和目的IP地址，并进行路由选择。路由器会根据目的IP地址在路由表中查找下一跳的信息，将数据包转发到适当的路径上。
分片和重组：如果数据包太大无法在网络中传输，网络层会对数据包进行分片，将其分割成较小的片段。在目的主机上，这些片段会被重新组装成原始的数据包。
数据链路发送和接收：在数据链路层，会添加源和目的MAC地址以及数据链路层协议类型等信息，数据包被封装成数据链路层帧，并在发送端发送到物理介质上。在接收端，物理层接收到数据帧并传递给数据链路层的接收端口。
解封装和校验：接收端的数据链路层会解析数据帧，并传递给网络层进行解封装。在解封装过程中，数据包的头部信息会被提取出来，并进行校验和错误检测。
传输和应用层处理：在传输层，数据包的传输和错误检测会继续进行，例如TCP中的流量控制和重传机制。在应用层，数据包会被接收应用程序处理，根据具体的应用需求进行相应的操作和响应。
响应和丢弃：最后，应用程序对数据包进行响应，并根据需要将数据包转发、回复、丢弃或进行其他操作。