收发数据的原理(上)

前言：网络知识很是的重要，若是你不是作程序的，那么一些网络常识仍是得知道的；而作程序的，就更不用说了，不只须要了解一些网络知识，仍是知道其原理，若是不了解原理，不敢说他不是程序员，可是总缺了点意思，就像去北京没去过长城同样。

网络原理系列文章：

1、五分钟了解网络链接(已完成)

2、收发数据的原理(上)(已完成)

3、收发数据的原理(下)(已完成)

4、收发数据的番外篇(未完成)

上一篇五分钟了解网络链接讲了网络链接的大概流程，而且文末讲到客户端委托协议栈收发数据能够总结为四步：

一、建立套接字（建立套接字阶段）

二、将管道链接到服务器端的套接字上（链接阶段）

三、收发数据（通讯阶段）

四、断开管道并删除套接字（断开阶段）

本文会对前两个步骤展开描述，后面两个步骤，下一篇文章介绍，敬请关注！因为网络知识点很是繁杂，读者请沉住气阅读此文，我尽量详细介绍，尽量的不那么枯燥，因此本文介绍也有侧重点。读完本文，你可能会对一些知识恍然大悟，哦，原来是这样啊！好了，废话很少说，直接进入主题。

创造套接字

协议栈的内部结构

上面是协议栈的内部结构。分为接个部分。上面部分会向下面的部分委派工做。

应用程序的下面是Socket库，其中包括解析器，解析器向DNS服务器发出查询，它的工做过程咱们在上一篇已经介绍过了。

再下面就是操做系统内部了，其中包括协议栈。协议栈的上半部分有两块，分别是负责用TCP协议收发数据的部分和负责用UDP协议收发数据的部分，它们会接受应用程序的委托执行收发数据的操做。关于TCP和UDP，会在后面文章讲解，目前只要知道像浏览器、邮件等通常的应用程序、QQ文件传输都是使用TCP收发数据的，而像DNS查询、QQ语音 、QQ视频等收发较短的控制数据的时候则使用UDP。

协议栈的下半部分是利用IP协议控制网络包收发数据的部分，在互联网中发送数据，须要将数据分红一个个小的网络包，而后将网络包发送给通讯对象就是由IP负责的。另外，ICMP用于错误提示以及各类控制消息，ARP则是用于查询IP相应的以太网MAC地址。如今只须要大概知道这个名词，后面才会细讲。

IP下面是驱动程序负责控制网卡硬件，最下面的网卡则是负责完成实际的收发操做——对网线中的信号执行发送和接受操做。

套接字的实体

实际上套接字并没存在实体，只是一个概念。在协议栈内部有一块存放控制信息的内存空间，用于记录通讯操做的控制信息。好比通讯对象的IP地址、端口号、通讯操做的状态等。因此硬要说套接字是个实体，那就是这些控制信息或者是保存这些控制信息的内存空间。

协议栈执行操做时须要参阅这些控制信息。来决定下一步该作什么。好比：发送数据时，看看IP地址和端口号；发送数据后，协议栈须要等待对方返回数据的响应信息，可是数据可能会半途丢失。咱们不可能一直等待，因此套接字中须要记录是否已经收到或者发送数据了多久，才方便知道是否要重发数据。套接字的控制信息还有不少做用，在此不一一列举了。

协议栈是根据套接字中记录的控制信息工做的。

调用Socket库中的组件

建立套接字时，须要调用Socket库中的socket组件，注意这里，大写的是Socket，小写是库中的一个程序组件。

应用程序调用socket程序申请建立套接字，而协议栈则根据应用程序的申请执行建立套接字的操做。

在建立过程当中，协议栈会分配一个用于存放套接字所需的内存空间，用于存放记录套接字操做的控制信息。建立套接字时，数据收发操做还没开始，因此把这初始状态的信息存入内存空间中。到此，建立套接字操做完成。

建立套接字，不只要分配空间，并且须要初始化状态信息。

而后，套接字须要将它的描述符告诉应用程序。描述符至关于车库号，告诉我车库号，我才知道哪一个才是我要的车库。一样，描述符是用在应用程序委托协议栈收发数据的时候。套接字包含了通讯对象的信息，好比已经说过的IP地址、端口号，因此应用程序收到套接字的描述符，应用程序再提供给协议栈，协议栈就知道了套接字中所包含的通讯对象信息，就能够准备链接通讯对象了。

链接服务器

关于链接

由于历史缘由，其实这里的“链接”就更像是通讯前的准备，叫“准备”其实更适合

调用socket程序申请建立完套接字，而后应用程序会调用Socket库的另一个程序组件connect，这样协议栈就会将本地的套接字与服务器的套接字进行链接。这里的链接是指通讯双方交换控制信息，在套接字记录一些必要信息并准备数据收发的一连串操做。

咱们说的链接不是指网线一直插着的链接，不是指通讯过程当中将数据转换成电信号。而是当应用程序委托发送数据时，协议栈经过描述符找到的套接字取得通讯对象的IP地址和端口号等信息。这属于链接操做的目的之一。

说完应用程序，再说下服务器那边，服务器也会建立套接字，可是服务器的协议栈和客户端这边同样，没有相似一个描述符的东西就没办法知道通讯对象，无法开始通讯。因此得有客户端先开始请求，告诉服务器必要信息。好比“我要和你请求，个人IP地址是10.10.1.118，端口号是8900”。因此，应用程序向服务器发送请求，也是链接操做的目的之一。

链接实际上通讯双方交换控制信息，在套接字中记录必要信息并准备数据收发的一连串操做。

控制信息，是控制数据收发操做的一些信息。IP地址、端口号就属于其中的信息。其他的控制信息，咱们后面再介绍。双方经过通讯规则进行信息交换从而完成数据收发准备。收发操做，须要一块临时存放要收发的数据的内存空间，这块内存空间叫作缓冲区，它是在链接操做过程当中分配的。

关于控制信息头部

控制信息能够分为两类。一是客户端和服务器相互联络时交换的控制信息。二是保存在套接字中，用来控制协议栈操做的信息。

第一类：客户端和服务器交换的控制信息，不只是在链接时须要，包括数据收发和断开链接操做在内，整个通讯过程都须要。咱们前面说过，数据会被分红一个个网络包发送，而这些信息就是被添加在客户端与服务器传递的网络包的开头。在链接阶段，因为数据收发尚未开始，网络包中没有实际数据，只有控制信息。这些控制信息位于网络包的开头，所以成为头部。固然，以太网和IP协议也有本身的头部（包含着控制信息）,为了不不一样头部混淆，咱们通常记做TCP头部，以太网头部、IP头部。本文主要讲解TCP头部，其他知识后面再讲，读者有兴趣可先自行查阅。

客户端和服务器在通讯中会将必要的信息存放在头部并相互确认。你们如今要知道的就是头部是用来记录和交换控制信息的。

第二类:套接字中的控制信息。这里会保存应用程序传递来的信息以及从通讯对象接收到的信息，还有收发数据操做的执行状态等信息也会保存于此，协议栈根据这些信息来执行每一步操做。

通讯操做中使用的控制信息分为两类： (1)头部中的信息 (2)套接字（协议栈的内存空间）中记录的信息

链接操做的实际过程

上面咱们已经介绍了链接（准备）操做的含义，接下来看一下具体操做过程。首先是应用程序调用Socket库中的connect，相似下面👇

connect (<描述符>,<服务器IP地址>,<服务器端口号>，...)

上面的调用提供了服务器的IP地址和端口号，这些信息会传递给协议栈中的TCP模块。TCP模块就会与该IP地址对应的对象，也就是与服务器的TCP模块交换控制信息。

seq:(Sequence Number)：本报文段数据的第一个字节的序号 ack:(Acknowledgment Number)：确认号——指望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号

控制位包含如下几部分 URG：紧急指针有效位。 SYN：创建链接，当须要创建链接时，他的值为1.即SYN=1 ACK：确认链接，当ACK=1是才有效，ACK=0是此控制位无效。 FIN：断开链接，提出断开链接这一方的值为1. RST：从新创建链接，值为1时表明从新创建链接。 PSH：要求接收方将数据尽快将数据段送达应用层

上图主要介绍了TCP头部。其中TCP头部目前要认知的有发送方和接收方的端口号,序号（seq）是发送方告诉接收方本报文段数据的第一个字节的序号，ack号是接收方告诉发送方已收到了全部数据的第几个字节。其中ack是Acknowledgment Number的缩写。可能读者纳闷IP地址在哪，IP地址其实在IP头部才有。因为本文重点是介绍TCP，因此下方只给出IP头部图，读者自行阅读

应用程序与服务器的TCP模块交换控制信息这一过程包含几个步骤：首先，客户端先建立一个包含表示开始数据收发操做的控制信息的头部（上面所说网络包中开头的控制信息），头部包含不少字段，其中要关注的重点是客户端和服务器的端口号，也就是说，客户端的套接字知道了链接服务器的哪一个套接字。而后，咱们把头部中的控制位的SYN设置为1，你们能够认为它表示链接。此外，还需设置适当的序号和窗口大小。

链接操做的第一步是在TCP模块处建立表示链接控制信息的头部

经过TCP头部中的发送方和接收方的端口号能够找到要链接的套接字

当TCP头部建立好以后，接下来TCP模块会将信息传给IP模块并委托它进行发送。IP模块执行网络包发送操做后，网络包就会经过网络发送到服务器的IP模块，再由服务器的IP模块把接收到的数据传给服务器自身的TCP模块，这时，服务器的TCP模块会根据TCP头部的信息找到端口号对应的套接字，而后套接字就会写入相应的信息，并把状态改为正在链接。

TCP模块、IP模块分别属于网络原理中OSI模型7层结构的传输层、网络层，而传输层处于网络层的上一层，也就是高一层，要完成传送数据，必须从通讯一方的高层传到低层，再经过网络传给通讯另一方的低层，再到那一方的高层完成接收。因此发送数据得从高一层的TCP到低层的IP模块逐一传递。

上述操做完成后，服务器的TCP模块会返回响应，这个过程跟客户端发送数据给服务端同样，须要在TCP头部中设置发送方和接收方端口以及SYN比特。另外，客户端向服务器发送第一个网络包时，因为服务器尚未接受过网络包，因此ACK比特设为0，那么在返回响应就须要将ACK控制位设为1，表示已经收到相应的网络包。网络中常常发生错误，网络包也会丢失。所以通讯双方必须相互确认网络包是否已经送达，通讯双方如何确认?其实就是经过设置ACK。接下来，服务器TCP模块会讲TCP头部传给IP模块，并委托IP模块向客户端返回响应。

而后，网络包就会返回客户端，经过IP模块到达TCP模块，并经过TCP头部信息确认链接服务器的操做是否成功。若是SYN为1，则表示链接成功，这时会向套接字中写入服务器的IP地址、端口号等信息，同时还会将状态改为链接完毕。到这里，客户端的操做就已经完成。但其实还剩下一个步骤，客户端收到数据后，也要像服务器那样把把ACK设置为1，并发回给服务器，告诉服务器，我已经收到服务器发来的响应包，当服务器收到这个返回包后，链接操做才算所有完成。

有没有以为上面的双方相互确认网络包操做，彷佛很熟悉，没错！它其实就是tcp的三次握手。

TCP三次握手 1.A向B发起创建链接请求： 2.B收到A的发送信号，而且向A发送确认信息 3.A收到B的确认信号，而且向B发送确认信号

链接（准备）操做完成后，套接字能够随时进行收发数据了，这个时候咱们能够理解通讯双方已经有一条相连的管道，这条管道链接着双方的套接字。固然这条管道并不真正存在，只是业界为了方便理解，比喻而已。

创建链接后，协议栈的链接操做就结束了。也就是说，当初应用程序调用Socket库中connect程序组件操做已经执行完毕，控制流程又从新交回到客户端。等到后面的收发数据操做。

在此，收发数据的建立套接字阶段、链接阶段已经讲完，剩下的通讯阶段、断开阶段留到下次再讲。网络的东西很枯燥，而且并非那么可视化，学会的要诀是沉住气，看到这里，若是你如今还不能讲到收发数据的前两个步骤，请回到文章顶部，再看一遍。Over and over again，你就会学有所成。

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