读书笔记_《Linux高性能服务器编程》_第 1 章：TCP/IP协议族

最新推荐文章于 2025-12-23 17:28:54 发布

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本文详细介绍了TCP/IP协议族的分层结构，包括数据链路层、网络层、传输层和应用层，重点讲解了ARP协议的工作原理和DNS的域名解析机制，同时阐述了Socket与TCP/IP协议栈的关系，为Linux高性能服务器编程打下基础。

第 1 章 TCP/IP协议族

1、TCP/IP协议组结构

分层、多协议的通信体系。

自底向上分别为：数据链路层、网络层、传输层、应用层
在这里插入图片描述

数据链路层

作用：

不同的物理网络具有不同的电气特性，数据链路层实现网卡接口的网络驱动程序，隐藏这些细节，向上层协议提供一个统一的接口，以处理数据在物理媒介上的传输(以太网、令牌环等)。

网络层

作用：实现数据包的选路和转发。

两台通信的设备间不是直接相连的，而是通过多个中间路由器连接，WAN(Wide Area Network, 广域网)通常使用众多分级的路由器来连接分散的机器或LAN(Local Area Network, 局域网)，网络层的任务是选择中间节点，确定主机之间的通信路径 与 对上层协议隐藏网络拓扑连接的细节，使得上层看起来双方是直接连接的。

传输层

作用：只关心通信的起始端和目的端，为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hq53U6CO-1623153420364)(C:\Users\liubiao\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210608103941537.png)]$

数据链路层封装了物理网络的电气细节
网络层封装了网络连接的细节
传输层为应用层封装一条端对端通信的逻辑通信链路，负责数据的收发、链路的超时重传。

应用层

处理应用程序的逻辑，通常在用户空间实现。

ping：是应用程序，而不是协议，利用ICMP 报文检测网络连接，是调试网络环境的必备工具。
telnet协议：是一种远程登录协议，它使我们能在本地完成远程任务。
OSPF(OpenShortest Path First开放最短路径优先)协议：是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通信，以告知对方各自的路由信息。
DNS(Domain Name Service域名服务)协议：提供机器域名到IP 地址的转换。
应用层协议(或程序)可能跳过传输层直接使用网络层提供的服务，比如ping程序和 OSPF协议。

应用层协议(或程序)通常既可以使用TCP服务，又可以使用UDP服务，比如 DNS协议。

2、封装

上层协议使用下层协议服务的方式，应用程序数据在发送到物理网络上之前，将沿协议栈从上往下依次传递，每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息。
在这里插入图片描述

TCP报文段：TCP封装后的数据，TCP为通信双方维持连接在内核中存储相关数据，该数据与TCP头部信息一起构成了TCP报文段，内核中保存用户数据的副本。
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2Qfqxi8Y-1623153420372)(C:\Users\liubiao\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210608112505459.png)]$
UDP数据报：UDP封装后的数据，UDP无需为应用层数据保存副本，当发送成功内核缓冲区的数据包就被丢弃，未被成功接收并打算重发这个数据报时，应用程序将重新从用户控件将数据拷到UDP内核缓冲区中。

IP数据报：IP封装后的数据，包括头部信息和数据部分(TCP报文段、UDP数据报或ICMP报文)

帧：数据链路层封装的数据，传输介质不同，帧的类型不同。通过6字节的目的物理地址和6字节的源物理地址表示通信双方。

帧的最大传输单元(MTU)：帧最多能携带多少上层协议数据，过多的数据报可能需要分片传输。

3、分用

封装的逆过程，当帧到达目的机器，将沿协议栈自底向上依次传递，各层协议依次处理帧中本层负责的头部受获取所需信息，将最后的帧交给目标应用程序。依靠头部信息中的类型字段实现。
在这里插入图片描述

4、ARP协议工作原理

ARP协议可以实现任意网络层到任意物理层地址的转换。

**原理：**主机向自己所在网络广播一个ARP请求，该请求包含目标及其的网络地址，该网络上的机器都将收到这个请求，但只有被请求的目标机器会回应一个ARP应答，其中包含其物理地址。

ARP高速缓存：ARP维护一个高速缓存，其中包含经常访问或最近访问的机器的IP地址到物理地址的映射，避免了重复发送ARP请求，提高了发送数据包的速度。

arp -a：查看ARP的动态高速缓存

sudo arp -d IP地址：删除某IP地址到物理地址的映射，删除ARP缓存

sudo arp -s IP地址物理地址：添加某IP地址对应的ARP缓存

5、DNS工作原理

访问英特网上各种网站常常通过域名而不是IP来访问。域名查询服务提供将机器域名转换成IP地址，通常为NIS(网络信息服务)、DNS和本地静态文件等。

DNS 是一套分布式的域名服务系统，每个DNS服务器上都存放大量的机器名和IP地址的映射，并且动态更新，网络客户端程序都是用DNS协议来向DNS服务器查询目标主机的IP地址。

6、Socket 与 TCP/IP 协议栈的关系

socket是一套通用网络编程接口，不但可以访问内核中TCP/IP协议栈，而且可以访问其他网络协议栈。
系统调用API，使用户可以使用数据链路层、网络层、传输层的内核实现(从用户缓冲区复制数据到TCP/UDP内核发送缓冲区或从TCP/UDP接收缓冲区复制数据到用户缓冲区)。
修改内核中各层协议的头部信息或其他数据结构，从而精细的控制底层通信行为(setsockopt设置IP数据包在网络的存活时间)。