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Linux网络：基于OS的网络架构

news 来源：原创 2024/9/20 2:55:56

Linux网络：OS视角下的网络架构

    • 网络分层模型
      • OSI 七层模型
      • TCP/IP 五层模型
    • 协议
    • 操作系统与网络
    • 网络相关命令
      • ifconfig
      • ping
      • netstat

本博客将基于操作系统，讲解计算机网络的设计理念，帮助大家理解操作系统与网络之间的关系。

网络分层模型

网络设计之初，国际标准组织就设计了第一套互联网标准，用于规范互联网，并在全世界推行。这套标准叫做OSI，即(Open System Interconnection)开放式系统互连参考模型。

OSI 七层模型

OSI模型如下：

分层功能
应用层提供网络服务给应用程序，处理特定应用的网络协议
表示层数据表示格式的转换和加密、解密，确保数据格式兼容性
会话层管理会话（连接）的建立、维护和终止
传输层管理端到端的数据传输，确保数据完整传输
网络层负责路径选择和逻辑地址管理，实现跨网络的数据传输
数据链路层负责节点到节点之间的数据传输和错误检测
物理层处理物理介质上的比特流传输，将数据转化为电信号或光信号

OSI模型通过将网络通信分为七个独立的层，允许每一层专注于特定的功能。这种模块化设计使得开发、测试和维护变得更加容易。每一层可以独立开发、更新或替换，而不影响其他层。

在主流的教材中，把这种模型称为”法律上的标准“，因为其没有被广泛推行。七层模型有点过于冗余了，实际开发中并不实用。其实七层模型的设计理念是非常优秀的，最后使用的虽然是五层模型，但是在编程时，依然使用七层模型的思想！

TCP/IP 五层模型

TCP/IP模型如下：

分层功能
应用层提供应用程序与网络之间的接口，处理特定应用的网络协议
传输层负责端到端的数据传输和连接管理，确保数据可靠传输
网络层处理跨网络的数据包传输和路由选择，使用IP协议进行逻辑地址管理
数据链路层负责节点到节点之间的数据帧传输和错误检测，确保局部网络数据传输可靠
物理层处理实际的物理介质上的比特流传输，将数据转化为电信号或光信号

相比于OSI模型，TCP/IP模型将应用层，表示层，会话层合为了应用层。这是因为在编程中，这三层的功能都由程序员实现，所以最后干脆都合为应用层了。

对于一个基于TCP的网络通信过程，用户首先要建立TCP连接，连接建立成功后就可以收到来自其他主机的数据，此时就要对数据的格式进行处理，比如对数据进行解密，最后将解密的数据进行业务处理。

以上是一个程序员进行网络编程的基本流程，在该流程中，每个步骤都对应一个OSI的分层：

  1. 会话层：建立TCP连接
  2. 表示层：对数据的格式进行处理，比如对数据进行解密
  3. 应用层：将解密的数据进行业务处理

就是因为这三层的功能都由自己编码完成，所以最后这三层就被合并成了应用层。

协议

在教材中，协议的定义为：

协议是控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

协议的目的是为了更加准确高效地在网络传递数据，协议的三要素是：语法，语义，同步。

三要素的含义如下：

  • 语法：规定通信双方交换信息的结构和格式
  • 语义：规定通信双方交换信息的含义和目的
  • 同步：规定通信双方的时序关系

接下来简单说一个生活中的小案例，帮助理解协议：

在班级中有一群爱打篮球的同学，他们每天最后一节课都要互相问去不去打篮球，决定要不要抢篮球场。但是课堂上是不允许说话的，如果聊天的话会被老师批评。于是同学之间约定，每天最后一节课篮球队长都会敲桌子：

  1. 如果敲一次桌子：打篮球，下课要去抢篮球场
  2. 如果敲两次桌子：不打球
  3. 如果敲三次桌子：踢足球，篮球场已经没有了

队长为了统计有哪些人要参加篮球，于是又约定：等敲完桌子后，谁想参加篮球，就打一个喷嚏，篮球队长就可以更具喷嚏数量来得知篮球的人数。

于是后续每天最后一节课都会发出敲桌子和打喷嚏的声音，因为只有短短几声，老师注意不到，而同学们却都知道了下课要不要打篮球。

这个过程中敲桌子就是一个协议，三要素对应如下：

  • 语法：通过敲桌子，打喷嚏来传输信息，敲桌子有不同敲击次数
  • 语义：敲桌子和打喷嚏的含义不同，而不同敲击次数的含义也不同
  • 同步：先敲桌子，再打喷嚏，因为喷嚏是敲桌子的响应

你会发现，在规定协议前想去打篮球，要说：“今天下午去篮球场打球，记得抢篮球场”，而现在只需要敲一次桌子。由于协议的存在，大幅度压缩了传递信息的成本，并且老师听不懂敲桌子的含义，所以还有一定的加密效果！

在实际的计算机网络中，两个主机之间的距离可能是几十公里，几百公里，甚至半个地球。传递信息的成本非常高，此时协议的重要性就不言而喻了。

你也许见过很多理论课程中的协议格式，比如说TCP的报头：

在这里插入图片描述

但是你多半没有见识过真正的协议，以上图片只是TCP报头的一个图示，而实际上TCP报头的本质就是C/C++中的一个结构体！

在Linux 2.6.10源码中，TCP报头的结构体如下：

struct tcphdr {__u16	source;__u16	dest;__u32	seq;__u32	ack_seq;
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)__u16	res1:4,doff:4,fin:1,syn:1,rst:1,psh:1,ack:1,urg:1,ece:1,cwr:1;
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)__u16	doff:4,res1:4,cwr:1,ece:1,urg:1,ack:1,psh:1,rst:1,syn:1,fin:1;
#else
#error	"Adjust your <asm/byteorder.h> defines"
#endif	__u16	window;__u16	check;__u16	urg_ptr;
};

比如source是源地址，dest是目的地址，中间的fin，syn是标志位。此处使用了C语言结构体的位段语法，不了解的自行学习。

那么为什么TCP的报头就是C/C++的结构体？这就和操作系统有关了。

操作系统与网络

我先前在博客[Linux系统：冯诺依曼结构 & OS管理机制]中讲解了操作系统的架构：

在这里插入图片描述

这个结构其实和计算机网络有非常大的关系，如下：

在这里插入图片描述

其实计算机网络中的每一层都在操作系统中有对应的层次：

网络层次系统层次关系
物理层底层硬件物理层基于操作系统的硬件设备网卡
数据链路层驱动程序数据链路层协议在网卡的驱动程序实现
网络层操作系统IP协议在操作系统内部实现
运输层操作系统TCP / UDP 协议在操作系统内部实现
应用层用户应用层协议由用户自己实现

其实网络也属于操作系统源代码的一部分，而主流操作系统是C语言写的，因此计算机运输层以下的网络协议，都是C语言结构体完成的。

目前主流的Windows，Linux，MacOS系统的核心也是C/C++，对应的网络协议栈也就是C/C++完成。假设现在新出现一个操作系统，是其他语言编写的，那么这个操作系统就无法解析C/C++的结构体，进而导致无法理解协议的内容，最后无法联网！

世界上所有操作系统，想要联网，就必须遵顼TCP/IP协议栈，进而必须使用C/C++完成网络部分内核

网络相关命令

本博客是Linux的网络入门文章，接下来再简单了解以下Linux中基本的网络命令。

ifconfig

不带任何参数运行 ifconfig 会显示所有活动的网络接口的当前配置，如 IP 地址、子网掩码、广播地址、MTU（最大传输单元）等。通过该指令可以了解当前主机的网络接口相关信息。

在这里插入图片描述

ifconfig 输出中，显示了两个网络接口的信息：eth0 和 lo，大多数计算机系统都有多个网络接口。

  • eth0 是一个有线以太网接口，通常用于连接到外部网络
  • lo 接口是一个特殊的回环接口，通常被称为本地回环接口，数据包发送到这个接口时会被回送到发送者自身

对于eth0，可以看到：

eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
  • eth0: 这是网络接口的名称，通常表示第一个以太网接口。
  • flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>: 这些标志表示接口的状态和功能。
    • UP: 接口已启用，处于活动状态。
    • BROADCAST: 接口支持广播功能。
    • RUNNING: 接口正在运行，通常表示接口已连接到网络。
    • MULTICAST: 接口支持多播功能。
  • mtu 1500: MTU（最大传输单元）是接口可以传输的最大数据包大小，单位是字节。对于以太网，默认通常是 1500 字节。
inet 172.29.202.116  netmask 255.255.240.0  broadcast 172.29.207.255
  • inet 172.29.202.116: 接口的 IPv4 地址。
  • netmask 255.255.240.0: 子网掩码，用于确定网络地址和主机地址的部分。
  • broadcast 172.29.207.255: 广播地址，数据包发送到这个地址时，将会被发送到同一网络中的所有设备。
inet6 fe80::216:3eff:fe10:ec6d  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
  • inet6 fe80::216:3eff:fe10:ec6d: 这是接口的链路本地 IPv6 地址。fe80::/10 是链路本地地址范围。
  • prefixlen 64: 表示子网前缀长度为 64 位。
  • scopeid 0x20<link>: 表示地址的作用域为链路本地（link），即只在本地链路上有效。
ether 00:16:3e:10:ec:6d  txqueuelen 1000  (Ethernet)
  • ether 00:16:3e:10:ec:6d: 这是接口的 MAC 地址，用于在以太网层识别设备。
  • txqueuelen 1000: 这是接口的传输队列长度，通常用于控制传输队列的大小。
  • (Ethernet): 表示接口使用的是以太网协议。

ping

ping 是一个用于测试网络连通性和诊断网络问题的命令行工具。它通过向目标主机发送 ICMP回显请求数据包，并等待接收目标主机返回的回显应答数据包，来判断目标主机是否可达以及网络的延迟情况。

基本语法：

ping [选项] 目标主机
  • 目标主机：可以是目标主机的 IP 地址、域名（如 www.example.com）、或者主机名（如 localhost）。

尝试ping www.baidu.com：

在这里插入图片描述

最后所有报文都收到，说明该主机与baidu之间的连通性是通畅的。

常见选项：

  • -c <次数>：指定发送的请求次数。默认情况下，ping 会一直发送请求，直到被用户手动中断（通常使用 Ctrl+C）。例如，-c 4 会发送 4 个请求。

  • -i <间隔秒数>：指定每个请求之间等待的时间间隔（以秒为单位）。默认是 1 秒。

  • -f：洪水模式（flood ping）。在这种模式下，ping 会尽可能快地发送数据包并显示结果。这种模式通常用于压力测试，普通用户不建议使用。

  • -q：安静模式。只显示 ping 命令的汇总统计信息，而不是每个数据包的应答。

netstat

netstat用于查看网络状态，常用选项如下：

  • n：显示IP地址而不限制主机名
  • l：列出在监听状态下的服务
  • p：显示建立该连接的程序名
  • t：只显示TCP连接相关的服务
  • u：只显示UDP连接相关的服务
  • a：显示所有服务，如果不带a，则只显示在当前终端启动的服务

常用的组合是：npua和npta：

在这里插入图片描述

使用npta，展示的所有进程都是TCP连接，但是由于我们没有root权限，只能看到少量信息，此时可以sudo提权：

在这里插入图片描述

此时最右侧的pragma name显示出来了，这些就是使用TCP的服务的名称，比如常见的数据库mysql。

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