网络通信
网络通信是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术,本质上是跨系统的进程间通信,必须要通过网络(硬件)才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及,网络的性能也变得越来越重要。
一、网络模型
1.1 OSI模型
为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题,并解耦复杂的网络包处理流程,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、数据链路层以及物理层等七层,每个层负责不同的功能。其中,
- 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收系统的格式。
- 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。
1.2 TCP/IP 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、网络接口层等四层,其中, - 应用层,负责向用户提供一组应用程序,比如 HTTP、FTP、DNS 等。
- 传输层,负责端到端的通信,比如 TCP、UDP 等。
- 网络层,负责网络包的封装、寻址和路由,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 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。
虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型,实现了网络协议栈,但在平时的学习交流中,我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如,说到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(而它们对应到 TCP/IP 模型中,实际上是四层和三层)。
二、linux 网络栈
2.1 基础知识
TCP/IP 模型中,需要进行网络传输时,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;然后封装上该层的协议头,再发送给下一层。
当然,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。比如在应用层,一个提供 REST API 的应用,可以使用 HTTP 协议,把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中,然后向下传递给 TCP 层。
而封装做的事情就很简单了,只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。
比如,以通过 TCP 协议通信的网络包为例,通过下面这张图,我们可以看到,应用程序数据在每个层的封装格式。
其中:
- 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头;
- 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头;
- 而网络接口层,又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。
这些新增的头部和尾部,都按照特定的协议格式填充,想了解具体格式,你可以查看协议的文档。
这些新增的头部和尾部,增加了网络包的大小,但我们都知道,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传输单元(MTU),就规定了最大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中,MTU 默认值是 1500(这也是 Linux 的默认值)。
一旦网络包超过 MTU 的大小,就会在网络层分片,以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然,MTU 越大,需要的分包也就越少,自然,网络吞吐能力就越好。
理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后,你很容易能想到,Linux 内核中的网络栈,其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示,就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图:
我们从上到下来看这个网络栈,你可以发现:
- 最上层的应用程序,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,就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层;
- 最底层,则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。
这里我简单说一下网卡。网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中,网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中,内核通过中断跟网卡进行交互。
再结合前面提到的 Linux 网络栈,可以看出,网络包的处理非常复杂。所以,网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送,而协议栈中的大部分逻辑,都会放到软中断中处理。
套接字(socket) = IP + 端口号。IP是网络层协议报头包含的字段,标识着网络传输时应该将数据传输给哪个主机。端口号是传输层协议报头包含的字段,对应着传输层报文中的数据应该交付给主机上哪个进程。然后该进程收到传输层的数据后,根据应用层协议将应用层报文中的提取数据。
2.2 UDP
2.3 TCP
资料:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/634994085
https://www.cnblogs.com/linguoguo/p/16248620.html
https://blog.csdn.net/i777777777777777/article/details/130086733