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2.4 网络概念（分层、TCP）

news 来源：原创 2025/7/13 4:48:31

网络层与传输层概述

网络层：
  • 抽象概念：网络层是基于 IP 的抽象概念，与数据链路层用 MAC 地址标记设备不同。MAC 地址是一种具体化的概念，绑定于所在的物理网络，而 IP 地址可以是固定的，也可以通过路由动态变化。
  • 功能：所有“网络”的“网”是基于 IP 的抽象概念，而链路层的“路”是基于 MAC 的具体化概念。
传输层：
  • 协议决定内容：传输层与物理信号的形式（光信号、电信号、无线信号）或目的地无关，传输层的协议决定了传输的内容是可靠的还是不可靠的。例如：
    • 不可靠传输协议：适用于允许丢帧和数据丢失的流媒体传输。
    • 可靠传输协议：适用于需要保密、稳定且不允许数据损坏或丢失的场景，并能控制传输的速度和质量。

数据链路层的作用与网卡驱动

数据链路层的命名

数据链路层之所以称为“链路层”，是因为它负责在物理链路上传输数据。链路指网络中相邻节点之间的物理连接（例如两台计算机或交换机）。

数据链路层的主要作用

  1. 帧的封装和拆解：

    • 把网络层的数据打包成帧（Frame）。
    • 在接收端解包帧，提取网络层数据。

  2. 差错检测与纠正：

    • 使用校验和机制（如 CRC）检测传输过程中的错误。
    • 部分情况下还能纠正错误。

  3. 流量控制与重传：

    • 控制数据流速，防止发送过快导致接收端无法处理。
    • 在数据帧丢失时请求重传。

  4. MAC 地址管理：

    • 确保数据在局域网内正确发送到目标设备。
数据链路层与网卡驱动的关系
  • 数据链路层的职责：定义如何在物理链路上传输帧，并确保数据传输的可靠性。
  • 网卡驱动的职责：
    • 是数据链路层的一部分。
    • 负责从网卡接收数据并传递给网络层。
    • 与操作系统协作完成数据链路层功能。
数据链路层与网络层的关系
  1. 网络层的职责：负责逻辑寻址和跨网络的数据路由。
  2. 网络层的工作方式：
    • 接收来自链路层的帧，解封装出 IP 数据包。
    • 基于 IP 地址和路由信息，将数据传递到目的地。

TCP/IP 协议栈

 tcp组包时 校验和 计算 -- 按照协议中指出，校验和本身在校验时 作为0计算。

校验和前面 还包含了 伪包头 包含了IP地址，是为了防止路由错IP 

主要组成部分
  1. 链路层（Link Layer）：对应 OSI 模型中的数据链路层。
  2. 网络层（Internet Layer）：主要协议是 IP，负责跨网络的数据路由。
  3. 传输层（Transport Layer）：如 TCP 和 UDP，提供端到端的数据传输。
  4. 应用层（Application Layer）：处理应用数据和服务，如 HTTP、FTP。
数据包的传递流程
  • 链路层负责在物理网络中传输数据帧。
  • 网络层通过路由实现数据的跨网络传递。
  • 传输层提供可靠或不可靠的数据传输服务。

网卡驱动与 sk_buff 结构体

sk_buff 的作用
  • 是 Linux 内核中描述网络数据包的重要数据结构。
  • 用于存储和管理网络协议栈的所有数据包。
典型的数据包接收流程
  1. 网卡驱动接收数据：
    • 网卡驱动接收到数据包后，分配一个 sk_buff。
    • 将数据存储到 sk_buff 的缓冲区中。
  2. 传递给协议栈：
    • 通过 netif_rx() 等函数将 sk_buff 传递给网络层。
  3. 网络层处理：
    • 解封装数据，提取 IP 包进行进一步处理。
sk_buff 的主要字段
  • data：指向数据部分。
  • len：数据长度。
  • protocol：上层协议类型。
  • dev：关联的网络设备。
  • 头部信息指针：mac_header、network_header、transport_header。
sk_buff 示例
struct sk_buff *skb = netdev_alloc_skb(dev, len);
if (!skb) {return -ENOMEM;
}
memcpy(skb_put(skb, len), data, len);
skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
netif_rx(skb);

传输层与 TCB 结构体

TCB 的作用
  • **传输控制块（TCB, Transmission Control Block）**用于管理和维护 TCP 连接。
  • 在 Linux 内核中，TCB 主要由 struct tcp_sock 表示。
tcp_sock 定义位置
  • 定义于 include/net/tcp.h。
tcp_sock 的主要字段
  • snd_nxt：发送窗口的下一个序列号。
  • rcv_nxt：接收窗口的下一个序列号。
  • snd_una：未被确认的序列号。
  • sk_receive_queue：接收队列。
  • sk_write_queue：发送队列。
tcp_sock 的连接生命周期
  1. 初始化：三次握手时分配并初始化。
  2. 状态更新：更新发送和接收窗口的序列号。
  3. 关闭连接：释放 tcp_sock，完成连接关闭。
传输层的数据流向
  • 发送方向：
    • 数据通过 send() 进入传输层，存储到发送缓冲区。
    • 在合适时机发送到网络。
  • 接收方向：
    • 数据通过网卡驱动传递到 sk_buff，存储到接收缓冲区。
    • 应用层通过 recv() 获取数据。
tcp_sock 示例
struct tcp_sock {__u32 snd_nxt;__u32 rcv_nxt;__u32 snd_una;struct sk_buff_head write_queue;struct sk_buff_head receive_queue;// 其他状态变量
};

总结

  • 数据链路层处理物理链路上的数据传输，网卡驱动是其一部分。
  • 网络层负责跨网络的数据路由，是 TCP/IP 协议栈的重要组成。
  • sk_buff 是 Linux 内核中描述网络数据包的核心数据结构。
  • tcp_sock 用于管理 TCP 连接，是传输层的重要组件。

传输控制块（TCB）简介

在 Linux 网络协议栈中，传输控制块（TCB, Transmission Control Block） 是用于管理和维护传输层连接的核心数据结构。对于 TCP 协议来说，TCB 主要由 struct tcp_sock 结构体表示，它定义了 TCP 连接的状态和相关的控制信息。

1. struct tcp_sock 的定义位置

tcp_sock 结构体定义在内核代码的 include/net/tcp.h 文件中，是 Linux 内核对 TCP 连接进行管理的主要结构体。

2. tcp_sock 的作用

  • TCP 连接状态信息：保存 TCP 连接的四元组（源 IP、目的 IP、源端口、目的端口）和状态（如 ESTABLISHED, SYN_SENT 等）。
  • 窗口大小与重传信息：用于管理 TCP 滑动窗口大小、重传计时器和拥塞控制。
  • 发送和接收缓冲区：包括发送队列和接收队列，分别存储未发送的数据和已接收但未处理的数据。
  • 序列号管理：跟踪和管理 TCP 的序列号和确认号，以保证数据包的顺序和可靠性。

3. tcp_sock 的主要字段

以下列举了 tcp_sock 中的一些关键字段及其作用：

字段名作用
rcv_nxt接收窗口的下一个序列号
snd_nxt发送窗口的下一个序列号
snd_una第一个未被确认的字节的序列号
copied_seq接收队列中已被应用程序读取的字节序列号
write_seq发送队列中已被写入但未发送的下一个字节序列号
sk_receive_queue已接收但未处理的数据包队列
sk_write_queue待发送的数据包队列

4. tcp_sock 的连接生命周期

1. 初始化

当一个新的 TCP 连接建立时，内核会为该连接分配并初始化一个 tcp_sock 结构体，记录四元组并设置初始状态（如 SYN_SENT 或 SYN_RECV）。

2. 状态更新

随着 TCP 三次握手及后续通信的进行，tcp_sock 的状态和字段不断更新。例如：

  • 数据发送时，更新发送窗口中的 snd_nxt 和 snd_una。
  • 数据接收时，更新接收窗口中的 rcv_nxt。
3. 关闭连接

TCP 连接关闭时，tcp_sock 状态会更新为 CLOSE_WAIT 或 FIN_WAIT，最终释放内存。

5. 从哪里到哪里

1. 发送方向

当应用层调用 send() 时，数据经由套接字接口进入传输层，TCP 层通过 tcp_sendmsg() 处理这些数据，将其存入 tcp_sock 的发送缓冲区，待网卡驱动发送到网络中。

2. 接收方向

当网卡驱动接收到 TCP 数据包后，数据会通过 sk_buff 传递到 TCP 层。TCP 根据数据包的序列号将其存入 tcp_sock 的接收缓冲区，供应用层调用 recv() 获取。

6. 简单示例：tcp_sock 部分定义

以下是 tcp_sock 的简化定义：

struct tcp_sock {__u32  snd_nxt;            // 发送窗口的下一个序列号__u32  rcv_nxt;            // 接收窗口的下一个序列号__u32  snd_una;            // 第一个未被确认的字节的序列号struct sk_buff_head  write_queue;  // 待发送的 skb 队列struct sk_buff_head  receive_queue; // 已接收但未处理的 skb 队列// 其他用于管理 TCP 连接的状态变量
};

总结

  1. TCB（传输控制块） 在 Linux 中主要由 struct tcp_sock 表示，是 TCP 协议管理的核心数据结构。
  2. 它的定义位于 include/net/tcp.h 文件中，保存了 TCP 协议中的关键信息，包括连接状态、序列号、窗口大小、发送与接收队列等。

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编程日记 2025/7/10 1:25:44