Linux协议栈(1)——协议介绍

本系列材料是关于Linux网络内核协议栈的，总体上将其分10个文章，主要目的是简明扼要的描述Linux协议栈在内核中的实现，从总体上掌握linux网络协议栈。因为操作系统中的网络子系统非常庞大，加上本系列材料有限，所以路由系统、邻接子系统、无线系统、桥接等不会涉及，后续有机会再系列介绍。

材料先会介绍网络相关相关的TCP/IP协议族知识(本章)，然后从总体上观测包的接收和发送流程及代码(第二章和第三章)。(第四章和第五章)介绍网络协议栈相关的数据结构为后续的代码解读打下基础，接着是从最新git代码分支上来走读链路层、网络层、传输层(第六章、第七章和第八章)，以及网络驱动(第十章)。最后会介绍Layer5应用层的开发(第十章)以及对本系列的一个总结(第十一章)。

下面我们开始：

网络协议的正式模型其实是 OSI（Open Systems Interconnection）7层模型，但事实标准是TCP/IP四层模型，linux中的协议模型也是这TCP/IP模型的。这个是历史原因我们不去关注。

其两者模型之间的对应关系如下图所示：

对于某些问题来说，７层模型过于详细，现在完全按照七层来实现的比较少。模型中每层只能与紧邻的层通信。

本系列中基本不涉及应用层(如HTTP（Hyper text transfer protocol）、FTP（file transfer protocol）、SMTP（simple mail transfer rotocol）、POP3（post office protocol 3）、IMAP4（Internet mail access protocol）)的具体细节，主要是下面三层的流程、函数和实现。

各层对应的数据如下：

应用层——消息

传输层——数据段(segment)

网络层——分组、数据包（packet）

链路层——帧（frame）

物理层——P-PDU（bit）

当然这个只是称呼，如果非要把每层都叫消息也是可以的，不过这样在交流或者看材料的时候可能会引起误解了。

本章还要先准备一些相关的知识用于后面章节的预热，主要是传输层的协议格式、网络层的协议格式、数据链路层的协议格式。

1.1.1.1 传输层(TCP/UDP)

传输层主要的是TCP和UDP,具有代表性的两个传输层协议。除此之外还有SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）,DCCP(数据报拥塞控制协议Datagram Congestion Control Protocol)等传输层协议，当然远没有TCP/UDP两兄弟那么火热。

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

它的首部如下，注意TCP首部是从20字节～60字节可变的：

如果大家对网络开发比较熟悉的话，这个图应该是比较熟悉的。当然如果不熟悉的话，可以复制下来贴在一个显眼的地方可以让自己能随时看到。

而UDP 是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。

UDP的格式如下：

他们的格式有个相同点，就是前面４个自己都是记录源端口号和目标端口号的哦。不过在这一层记住并没有IP地址，这是因为在下层网络层的时候会有IP地址的。

TCP和UDP两个协议各有优缺点，我们先记住一点就好了，TCP是可靠的，UDP是不可靠的。UDP协议时发出包之后就不管了，无法确定对端是否收到了这个包，需要应用程序来判断，而TCP协议在发出包之后是会等待对面发送ACK应答回来的，超时不发送回来说明对面没收到就会触发重传机制。

1.1.1.2 网络层(IP)

IP（网际协议，Internet Protocol）.

TCP/IP心脏是互联网层。主要由IP和ICMP两个协议组成。

IP分为三大作用模块：IP寻址、路由、以及IP分包与组包。

IP包格式如下：

这个报头内容也挺多，大家不用一次记住它，可以和TCP/UDP协议头一起打印出来贴起来。

1.1.1.3 链路层(以太网帧)

最后我们来看下链路层，链路层协议有以太网、SLIP、令牌网等等，我们这里以当前最常用的以太网为例。

在数据链路层中称这种数据为帧（frame）

我们来看下以太网格式，如下图：

以太网的帧尾是一个叫做FCS（Frame Check Sequence,帧检验序列）的4个字节。用于检查帧是否有所损坏。传输过程中如果出现电子噪声干扰，可能会导致乱码位的出现。

知道这些TCP/IP协议的知识足够我们继续往下走了，至于那些RFC中陈芝麻、烂谷子的事情就不提了。

后面我们开始看在 Linux 网络协议栈中的接收流程。