Linux内核之网络套接字

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前言

一、TCP4层模型和OSI7层模型

OSI 7层模型

1. 物理层 (Physical Layer)：负责传输原始比特流，包括电缆、光纤和无线传输。
2. 数据链路层 (Data Link Layer)：提供错误检测和纠正，控制数据帧的流量，管理节点到节点的通信。
3. 网络层 (Network Layer)：处理数据包的路由选择和转发，管理不同网络之间的传输（如IP协议）。
4. 传输层 (Transport Layer)：提供端到端的数据传输服务，确保数据完整性和顺序（如TCP、UDP）。
5. 会话层 (Session Layer)：管理会话的建立、维护和终止，协调会话之间的交互。
6. 表示层 (Presentation Layer)：处理数据的编码和解码，确保数据在不同系统间能够被正确解释（如加密、压缩）。
7. 应用层 (Application Layer)：直接与应用程序交互，提供网络服务（如HTTP、FTP、SMTP）。

TCP/IP 4层模型

1. 网络接口层 (Network Interface Layer)：对应于OSI模型的物理层和数据链路层，负责网络硬件和数据帧的传输。
2. 互联网层 (Internet Layer)：对应于OSI模型的网络层，负责数据包的路由和寻址（如IP协议）。
3. 传输层 (Transport Layer)：对应于OSI模型的传输层，处理端到端的数据传输和错误检测（如TCP、UDP）。
4. 应用层 (Application Layer)：合并了OSI模型的会话层、表示层和应用层，提供各种网络服务和应用协议（如HTTP、FTP）。

比较

• 层数：OSI模型有7层，TCP/IP模型有4层，TCP/IP模型的层次较少，功能上则有重叠。
• 功能：OSI模型更为详细，分层更细；TCP/IP模型则更为实用，广泛应用于现代网络。
• 实际应用：TCP/IP模型是互联网协议的基础，实际中更为常见。OSI模型则是一个理论模型，主要用于教学和理解网络概念。

通过了解这两种模型，可以帮助更好地理解网络协议的工作原理和网络系统的结构。

二、套接字概念

套接字（Socket）是网络编程中的一个基本概念，用于实现不同主机或程序之间的通信。它是一个软件结构，用于定义网络连接的端点。

主要功能：

• 标识：套接字通过IP地址和端口号来唯一标识网络中的通信端点。
• 接口：它提供了用于建立、管理和终止网络连接的接口。
• 协议：常用的协议包括TCP（面向连接）和UDP（无连接）。

类型：

1. 流套接字 (Stream Socket)：使用TCP协议，确保数据可靠、按顺序到达，适合需要稳定连接的应用。
2. 数据报套接字 (Datagram Socket)：使用UDP协议，不保证数据的到达顺序和可靠性，适合对实时性要求高的应用。

通过套接字，应用程序可以在网络上发送和接收数据，实现通信。

三、sockaddr_in和sockaddr结构体

sockaddr_in 和 sockaddr 是网络编程中用来处理地址信息的结构体。

sockaddr_in

• 定义：sockaddr_in 是一个专门用于IPv4地址的结构体。
• 字段：
  • sin_family：地址族，通常设为 AF_INET。
  • sin_port：端口号，以网络字节序存储（通常使用 htons 转换）。
  • sin_addr：IPv4地址，使用 in_addr 结构体表示。
  • sin_zero：填充字段，通常设为零，以确保结构体的大小与 sockaddr 结构体对齐。

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，通常是 AF_INETuint16_t       sin_port;   // 端口号struct in_addr sin_addr;   // IPv4 地址char           sin_zero[8]; // 填充字段
};

sockaddr

• 定义：sockaddr 是一个通用的地址结构体，用于表示不同类型的网络地址。
• 字段：
  • sa_family：地址族，指明地址类型（如 AF_INET、AF_INET6 等）。
  • sa_data：包含地址和端口的通用字段，其具体格式取决于地址族。

struct sockaddr {sa_family_t sa_family; // 地址族char        sa_data[14]; // 地址数据
};

区别

• sockaddr_in 是 sockaddr 的一个特定实现，用于处理IPv4地址。
• sockaddr 是一个通用结构体，可以用来处理不同类型的地址（IPv4、IPv6等），但需要根据实际地址族进行类型转换。

在实际使用中，sockaddr_in 常用于套接字编程中，而 sockaddr 常用作函数参数，提供通用的地址接口。

四、协议中的数据划分

在网络通信中，数据在不同的协议层上进行划分，每一层都会在数据前添加一个首部（Header）。这些首部用于提供必要的控制信息，以确保数据能够正确传输到目标主机。接收到数据时，每一层会解析并去除相应的首部，最终恢复出原始的数据内容。

数据划分和首部添加流程

1. 应用层：应用程序将数据传递给传输层，这些数据称为应用数据。在这个阶段，没有应用层首部，数据是应用程序生成的原始数据。

2. 传输层：传输层（如TCP或UDP）在应用数据前添加传输层首部。这个首部包括了源端口号、目标端口号、序列号、确认号等信息。这个过程称为“封装”。

3. 网络层：网络层（如IP）在传输层数据前添加网络层首部，包括源IP地址、目标IP地址和其他路由信息。

4. 数据链路层：数据链路层在网络层数据前添加数据链路层首部（如以太网头部），包括源MAC地址、目标MAC地址和其他链路层控制信息。

5. 物理层：数据链路层将带有首部的数据传递给物理层，物理层负责将数据转换为电信号或光信号，并通过网络介质传输。

数据接收与解析流程

1. 物理层：物理层接收信号，将其转换回数据帧。

2. 数据链路层：数据链路层解析数据链路层首部，提取出网络层的数据，并进行错误检查。

3. 网络层：网络层解析网络层首部，提取出传输层的数据，并进行路由决策。

4. 传输层：传输层解析传输层首部，提取出应用层数据，并进行数据重组（如TCP的重传和排序）。

5. 应用层：应用层接收到的数据是原始的应用数据，经过多层解析和拆解后，交给应用程序进行处理。

流程图

下面是一个数据传输的流程图，展示了数据在各层的封装和解封装过程：

+-----------------------+
|      应用层数据       |        (Data)
+-----------------------+
| 应用层首部 (Application Header) |       (App Header)
+-----------------------+
| 传输层首部 (Transport Header)    |       (Transport Header)
+-----------------------+
| 网络层首部 (Network Header)      |       (Network Header)
+-----------------------+
| 数据链路层首部 (Data Link Header) |       (Data Link Header)
+-----------------------+
| 物理层数据 (Physical Layer Data)  |       (Physical Layer Data)
+-----------------------+

数据传输过程：

1. 应用程序发送数据：应用程序生成数据。
2. 应用层：在应用数据前添加应用层首部。
3. 传输层：在应用层数据前添加传输层首部。
4. 网络层：在传输层数据前添加网络层首部。
5. 数据链路层：在网络层数据前添加数据链路层首部。
6. 物理层：将完整的数据帧转换为电信号并传输。

数据接收过程：

1. 物理层：接收电信号并恢复为数据帧。
2. 数据链路层：解析数据链路层首部，提取网络层数据。
3. 网络层：解析网络层首部，提取传输层数据。
4. 传输层：解析传输层首部，提取应用层数据。
5. 应用层：最终数据交给应用程序进行处理。

这个过程确保数据能够从发送方的应用程序正确传输到接收方的应用程序，中间的每一层都添加和解析首部以提供必要的通信控制。