网络协议基本原理（网络协议是如何实现的）

如下场景：Linux 服务器 A 和 Linux 服务器 B 处于不同的网段，通过中间的 Linux 服务器作为路由器进行转发。

说起网络协议，我们必须要先了解一下两中网络协议模型，一种是OSI的标准七层模式，一种是业界标准的TCP/IP模型。它们之间的对应关系如下图：

为什么网络要分层呢？

我们这里简单介绍一下网络协议的几个层次。（1）我们先从第三层，网络层开始。

（2）从第三层往下看，可以看到数据链路层

（3）从第二层往下看就是第一层，物理层，这一层就是物理设备。比如网线

（4）从第三层往上看，就是传输层，这里面由两个著名的协议TCP和UDP。

（5）从第四层传输层再往上，就要区分网络包是发给哪个应用。在传输层TCP和UDP协议里面，都有端口的概念，不同的应用监听不同的端口。

应用层和内核互通的机制，就是通过socket系统调用。那socket属于那一层呢？其实它哪一层都不属于，它属于操作系统的概念，而非网络协议分层的概念。只不过操作系统选择对于网络协议的实现模式是，二到四层的处理代码在内核里面，七层的处理代码让应用自己去做，两者需要跨内核态和用户态通信，就需要一个系统调用完成这个衔接，这就是socket

网络分完层之后，对于数据包的发送，就是层层封装的过程。

如下图：

socket接口大多数情况下操作的是传输层，更底层的协议不用它来操心，这就是分层的好处。

在传输层有两个主流的协议TCP和UDP，所以我们的socket程序设计也是主要操作这两个协议。这两个协议的区别是什么呢？通常的答案是下面这样的

这些答案没有问题，但是没有到达本质，也经常会让人产生错觉。比如，下面这些问题：

从本质上连接，所谓的建立连接，其实是为了在客户端和服务端维护连接，而建立一定的数据结构来维护双方交互的状态，并用这些的数据结构来保证面向连接的特性。TCP无法左右中间的任何通路，也没有什么虚拟的连接，中间的通路根本意识不到两端使用了TCP还是UDP。

所谓的连接，就是两端数据结构状态的协同，两边的状态能够对得上。符号TCP协议的规则，就认为连接存在；两面状态对不上，连接就算断了

流量控制和拥塞控制其实就是根据收到的对端的网络包，调整两端数据结构的状态。TCP协议的设计理论上认为，这样调整了数据结构的状态，就能进行流量控制和拥塞控制了，其实在通道上是不是真的做到了，谁也管不着。

所谓的“可靠”，就是两端的数据结构做的事情。不丢失其实是数据结构在“点名”，顺序到达其实是数据结构在“排序”，面向数据流其实是数据结构将零散的包，按照顺序捏成一个流发给应用层。总而言之，“连接”两个字让人误以为功夫在通路，其实功夫在两端。

当然，无论是用 socket 操作 TCP，还是 UDP，我们首先都要调用 socket 函数。

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函数用于创建一个socket的文件描述符，唯一标识一个socket。我们把它叫做文件描述符，因为在内核中，我们会创建类似文件系统的数据结构，并且后继的操作都有用到它。

socket 函数有三个参数。

通信结束后，我们还要像关闭文件一样，关闭 socket。

针对TCP应该如何编程

TCP服务端要先监听一个端口，一般是调用bind函数，给这个socket赋予一个端口和IP地址：

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen); struct sockaddr_in { __kernel_sa_family_t sin_family;  __be16 sin_port;  struct in_addr sin_addr;    unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) - sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];}; struct in_addr { __be32 s_addr;};

其中，sockfd 是上面我们创建的 socket 文件描述符。在 sockaddr_in 结构中，sin_family 设置为 AF_INET，表示 IPv4；sin_port 是端口号；sin_addr 是 IP 地址。

服务端所在的服务器可能有多个网卡、多个地址，可以选择监听在一个地址，也可以监听0.0.0.0表示所有的地址都监听。服务端一般要监听在一个众所周知的端口上。

客户端要访问服务端，就一定要事先直到服务端的端口。当然，只有客户端主动去连接别人，别人不会主动连接客户端，没有人关心客户端监听到了哪里，所以客户端不需要bind。

上面代码中的数据结构，里面的变量名称都有“be”两个字母，代表的意思是“big-endian”。如果在网络上传输超过 1 Byte 的类型，就要区分大端（Big Endian）和小端（Little Endian）。

假设，我们要在 32 位 4 Bytes 的一个空间存放整数 1，很显然只要 1 Byte 放 1，其他 3 Bytes 放 0 就可以了。那问题是，最后一个 Byte 放 1 呢，还是第一个 Byte 放 1 呢？或者说，1 作为最低位，应该放在 32 位的最后一个位置呢，还是放在第一个位置呢？

最低位放在最后一个位置，我们叫作小端，最低位放在第一个位置，叫作大端。TCP/IP栈是按照大端来设计的，而x86基本是小端设计，因而发出去时需要做一个转换。

接下来，就要建立TCP的连接了，也就是著名的三次握手，其实就是将客户端和服务端的状态通过三次网络交互，达到初始状态是协同的状态。

接下来，服务端要调用 listen 进入 LISTEN 状态，等待客户端进行连接。

int listen(int sockfd, int backlog);

连接的建立过程，也就是三次握手，是TCP层的动作，是在内核完成的，应用层不需要参与。

接着，服务端只需要调用accept，等待内核完成了至少一个连接的建立，才返回。如果没有一个连接完成了三次握手，accept就一直等待；如果有多个客户端发起连接，并且在内核里面完成了多个三次握手，建立了多个连接，这些连接会被放在一个队列里面。accept会从队列中取出一个来进行处理。如果想要进一步处理其他连接，需要调用多次accept，所以accept往往在一个循环里

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

接下来，客户端可以通过 connect 函数发起连接。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

我们先在参数中指明要连接的IP地址和端口号，然后发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功，服务端的accept会返回另一个socket。

这里需要注意的是，监听的socket和真正用来传输数据的socket，是两个socket，一个叫做监听socket，一个叫做已连接socket。成功连接建立之后，双方开始通过read和write函数来读写数据，就像完一个文件流里面写东西一样。

针对UDP应该如何编程

接下来我们来看，针对 UDP 应该如何编程。UDP是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要调用listen和connect，但是UDP的交互仍然需要IP地址和端口号，因而也需要bind。

对于UDP来讲，没有所谓的连接维护，也没有所谓的连接的发起方和接收方，甚至都不存在客户端和服务端的概念。大家都是客户端，也同时是服务端。只要有一个socket，多台机器就可以任意通信，不存在哪两台机器是属于一个连接的概念。因此，每一个UDP的socket都需要bind，。每次通信时，调用 sendto 和 recvfrom，都要传入 IP 地址和端口

源链接：

https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/121640391

作者：网络

编辑：IT运维技术圈