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TCPIP 和开放系统互连（OSI）模型

本节先简单介绍互联网的发展史，然后讲解 TCPIP 和开放系统互连（OSI）模型，最后会介绍一下用户态协议栈的整体框架。

计算机互联网发展史

最开始的时候计算机是单独运算的，一般有一个大型主机放在那里，然后可以多个终端连接一个主机进行操作。那时候美国国防部认为，如果仅有一个集中的军事指挥中心，万一这个中心被原苏联摧毁，全国的军事指挥将处于瘫痪状态，其后果将不堪设想，因此有必要设计这样一个分散的指挥系统，它由一个个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后其它点仍能正常工作，而这些分散的点又能通过某种形式的通讯网取得联系，这个研究项目就是著名的 ARPANET（阿帕网），也就是互联网的前身。在 1969 年，ARPANET 真正把计算机第一次互联，使用 BBN 公司开发的接口消息处理器（IMP）建立节点。当时的详细节点信息如下：

节点1：UCLA(8月30日，9月2日接入)
功能：网络测量中心
主机、操作系统：SDS SIGMA 7

节点2：斯坦福研究院(SRI)(10月1日)
功能：网络信息中心(NIC)
主机、操作系统：SDS940
Doug Engelbart有关Augmentation of Human Intellect的计划

节点3：加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)(11月1日)
功能：Culler-Fried交互式数学
主机、操作系统：IBM 360/75

节点4：Utah大学(12月)
功能：图形处理
主机、操作系统：DEC PDP-10
由Steve Crocker编写第一份RFC文件Host Software(1969年4月7日)。
REC 4：Network Timetable
UCLA的Charley Kline试图登录到SRI上，发出了第一个数据包，
他的第一次尝试在键入LOGIN的G的时候引起了系统的崩溃。(1969年10月20日或29日，需查实)

可以看出，当时硬件和系统都不是统一的，当然通信的接口也是不统一的，他们需要 IMP 连接和处理才能彼此通信。

ARPANET 的特点

• 可以共享硬件、软件和数据库资源。
• 利用分散控制结构。
• 应用分组交换技术（包交换技术）。
• 运用高功能的通信处理机。
• 采用分层的网络协议。

ARPANET 早期使用一种网络控制协议（Network Control Protocol，NCP）来达到主机与主机之间的通信，但是它无法和个别的计算机网络做交流，因为设备之间没有一个标准协议。1972 年，ARPANET 项目组的核心成员 Vinton Cerf 和 Bob Kahn 开始合作开展所谓的网络互联相互（Interneting Project）。他们希望连接不同的网络，使得一个网络上的主机能够与另一个主机网络上进行通信，需要克服的问题很多：不同的分组大小、不同的接口类型、不同的传输速率、以及不同的可靠性要求。Cerf 和 Kahn 提出利用被称为网关的一种设备作为中间的硬件，进行一个网络到另一个网络的数据传输。

之后 Cerf 和 Kahn 在 1974 年发表了里程碑式的文章 Protocol for Packet Network Interconnection，描述了实现端到端数据投递的协议，这是一个新版的 NCP，叫传输控制协议（TCP）。这篇文章包括了封装、数据报、网关的功能等概念，其中主要思想是把纠错功能从 IMP 移到了主机。同时该协议（TCP）被应用到 ARPANET 网络，但是此时依然没有形成一个网络标准，各种协议并存包括 NCP，TCP 等协议。

在 1977 年后，TCP 被拆分成两个网络协议：传输控制协议（TCP）和因特网协议（IP），IP 处理数据包的路由选择，TCP 负责高层次的功能，如分段、重组、检错。这个新的联合体就是人们熟知的 TCP/IP。

1980 年发表 UDP 协议。

1981 年 UNIX 系统集成了 TCP/IP 协议栈，包含网络软件的流行操作系统对网络的普及起了很大的作用。

1983 年原先的交流协议 NCP 被禁用，TCP/IP 协议变成了 ARPANET 的正式协议，同时 ARPANET 分裂成两个网络：军用网（MILNET）和非军用的 ARPANET。之后，NCP 成为历史，TCP/IP 开始成为通用协议。

1984 年 ISO 发布了开放式系统互联模型（OSI）。

再之后，互联网极速发展，更多的主干网被搭建，更多的主机连接进来，直至组成了世界互联的巨大网络。

OSI 模型和 TCPIP 模型

OSI 模型

层级	level
应用层	Application
表示层	Presentation
会话层	Session
传输层	Transport
网络层	Network
链路层	Link
物理层	Physical

TCPIP 模型

层级	level
应用层	Application
传输层	Transport
网络层	Network
链路层	Link

虽然现实中实现的协议栈都是 TCP/IP 模型，但是我们也需要了解 OSI 模型，它很有参考意义，我们平常交流讲到网络分层的时候都是用 OSI 模型来讲的，所以开发者一般实现的时候是 TCPIP 模型，但和别人讨论的时候是 OSI 模型。比如我们一般讲的二层网络，三层网络指的是 OSI 模型的链路层和网络层。下面介绍 TCP/IP 模型各层功能。

TCPIP 各个层的主要功能

链路层

链路层也是将数据包发送到另一台主机，但是这两台主机一定是同个局域网的（不考虑广域网二层打通的情况），链路层负责将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。链路层的通信就像在一栋小楼里面互相讲话一下，小明想与小红讲话，只要在楼里喊一下，“小红你在吗？”，小红听到了就会回复说，“小明，我在啊”。小明在喊小红的时候，在这栋楼里的其他人也听得到，这种行为叫广播。链路层网络不适合大型网络，因为一旦主机多了，广播会比较占用资源，就像楼里大家都在喊别人一下，听起来会很乱。

网络层

网络层负责将数据报从一台主机发送到一台目标主机上（注意：这两个主机可以不相邻），并给每个主机分配一个地址。最著名的就是 IP 协议了，每个主机都至少有一个 IP 地址，根据路由策略将收到数据报发往下一个主机，这个过程就叫路由转发，它是实现国际网的基础。对于网络层的通信，小明和小红就不是在一栋楼里了，他们可能隔了一个省，此时小明再怎么喊，小红也听不到，怎么办？那就寄信封吧，把信写好，交给邮差，邮差根据地址送给下一个驿站，驿站再根据地址送给下一站，知道送到小红那，这个过程就很像路由，根据目的地址选择下一跳地址。有时候小明有太多话想跟小红讲，导致一封信已经装不下了，那么就会用几张信封来装信件，这个过程就像分片，因上层数据包太大，将数据包切割。当然逆向过程就叫重组。

传输层

**传输层最主要的目的就是给两个应用程序传输数据，注意是两个程序，不是两个主机。***主要的协议有 tcp 和 udp，tcp 为应用提供了虚拟连接的服务，也提供了数据的可靠性。udp 提供的是无连接服务，也不提供可靠服务，仅仅实现让两个程序之间交换数据。

应用层

应用层是利用传输层的接口来实现用户自定义的网络应用，例如 HTTP 应用，SMTP（邮件传输）应用等。正因为应用层各色各样的应用，才让网络传输有了意义。比如微信，QQ，淘宝网等，这些我们常见的应用都离不开网络的传输。

为何要分层

分层当然是有原因的，主要的目的是为了灵活性和方便实现。分层可以允许供应商进行独立开发，各层通过一个接口在相邻层通信。每层只要专注自己的事情，而不是关心其他层，这样方便软件或者硬件的实现，定义好每个层之间的接口，更改一层的内部实现，不会影响其他层，这样更灵活。比如，TCP 协议就不管下一层是 ipv4 还是 ipv6，它们都实现了网络层的接口，能寻址发送和接收数据包。

这种思想到处可见，我们要解决一个复杂的问题时，一般都是拆分层小问题，然后分别解决小问题，分层也是一样，它的本质就是为了分离关注点而让问题简单化或者更高效。

封装与解封装

各个层需要加上自己的控制信息，就会为每层定义自己的控制信息，不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），链路层叫做帧（frame），物理层层叫比特，数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

每层发送数据时加上自己的控制信息叫封装。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2qFei0GW-1630835319036)(img/document-uid949121labid10418timestamp1555394988939.png)]

收到数据包剥掉相应的首部叫解封装，解封装的时候会得到上层的协议，去除本层首部信息后，将会把数据包分发给上层协议。

你是如何冲浪的呢

一般情况家里的上网流程如下，但不是一定是这样，请读者注意！

首先你得购买互联网服务提供商（ISP，如：中国电信）提供的账号密码；

• 启动家用路由器，假设路由器内网地址为 192.168.1.1，接着配置账号密码，通过拨号和 ISP 建立连接，ISP 会返回一个公网 IP 地址，假如 IP 为 1.1.10.1；
• 然后再把电脑插到家用路由器的网口上，那么电脑就获取到了内网 IP 地址，假如为 192.168.1.2，这时候家用路由器就是电脑的默认网关，和家用路由器的相连的网卡假设为 en0；
• 当在浏览器访问 https://www.baidu.com 时，浏览器会发起 DNS 请求得到对应的 IP，假如为 180.97.33.18，DNS 请求的详细过程我们暂时忽略；
• 拿到 IP 后，浏览器会使用 tcp 连接系统调用和远端主机建立连接，系统调用会进入内核；
• 内核先通过路由最长匹配查询目标 IP 下一跳地址，也就是邻居地址，比如目的 180.97.33.18 会匹配下一跳地址 192.168.1.1;
• 内核接着查询 ARP 表，得知下一跳地址的网卡和物理 MAC 地址，如果没有查询到，则会发送广播 ARP 请求，得到 MAC 地址；
• 到目前为止发送 tcp 报文所需的信息都有了，目标 IP 和目标 MAC 地址，此时系统会给 tcp 的连接分配一个源端口，假如为 33306；
• 之后完成 tcp 三次握手，将 HTTP 请求报文封装在 tcp 数据段中发送给网卡 en0；
• 家用路由器接收到电脑的数据报，经过源地址转换（SNAT），将数据报文发送给 ISP；
• ISP 通过路由表选择发送给下一个路由，经过多个路由转发最终达到百度的服务主机；
• 百度服务器得到电脑发送的报文，返回 HTTP 响应，按原路返回给家用路由器；
• 家用路由器接收到 HTTP 响应报文后，经过目标地址转换（DNAT），将数据发送给电脑；
• 电脑上的浏览器接收到 HTTP 响应，渲染页面，呈现出网页；

协议栈整体框架

本课程参考netstack，基于 linux 的 tap 网卡，来实现一个用户态的 tcp/ip 协议栈。

协议栈的整体架构如下：

协议	网络层级
tcp/udp	transport
arp/ipv4/ipv6	network
vnic	nic_manager
tap	link

• 链路层我们用 tap 网卡实现，它是 linux 下的一种虚拟网卡，能提供链路层的功能，发送和接收以太网帧。
• 协议栈还实现了对虚拟网卡的一定管理，就像 linux 对物理网卡的管理一样。
• 网络层实现了 arp、ipv4 和 ipv6 协议，arp 协议虽然被划分在网络层，但是链路层的工作离不开它，所以第二章讲链路层通信的时候会介绍。ipv4 协议中的 icmp 和 ipv6 中的邻居协议也实现了，后面会讲解 ipv4 和 icmp 协议。
• 传输层会实现了 tcp 和 udp，在讲传输层之前会先介绍端口的概念。传输层中的 tcp 实现应该是整个协议栈中最复杂的，会按功能拆分来讲解。

值得注意的是这里说的协议栈是主机上的协议栈，不是交换机，也不是路由器的协议栈。

整体来说，实现一个协议栈并没有想象中的那么复杂，如果排除了 tcp 的各种机制实现，那么协议栈其实很简单，就是封装与解封装的过程，所以协议栈的代码有很大部分也是各层对数据包的封装与解封装。tcp 的实现会根据每个特性来拆分讲解和实现，以便更容易理解和实现。

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来源： https://blog.csdn.net/qq_44807796/article/details/120118391

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