Linux内核套接字以及分层模型

一、套接字通信

        内核开发工程师将网络部分的头文件存储到一个专门的目录include/net中，而不是存储到标准位置include/linux。

计算机之间通信是一个非常复杂的问题：

• 如何建立物理连接？
• 使用什么样的线缆？
• 通信介质有那些限制和特殊的要求？
• 如何处理传输错误的问题？
• 如何识别计算机网络中的每一台计算机？
• 如果两台计算机通过其他计算机连接，二者之间的数据是如何进行交换？
• 如何查找最佳的路由？
• 如何打包数据，使它不依赖于特定计算机的特性？

1.ISO/OSI和TCP/IP参考模型

        ISO设计一种参考模型，定义组成网络的各个层，该层由7层组成，成为OSI（开放系统互联）模型如下：

• 应用层：网络服务与最终用户的接口；
• 表示层：数据的表示、安全及压缩；格式（jpeg, ascii 等）；
• 会话层：建立、管理及终止传话；
• 传输层：定义传输数据的协议端口，以及流控和差错校验；（数据包一旦离开网卡进入网络传输层）
• 网络层：进行逻辑地址建立、实现不同网络之间的路由选择；
• 数据链路层：建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错检验等功能（由底层网络定义协议），将比特组合成字节进而组合成帧，用 MAC 地址访问介质，错误发现但不能纠正。

其中核心基本术语如下：

• 数据帧（Frame）：指起始点和目的点都是数据链路层的信息单元。
• 数据包（Packet）：指起始点和目的地是网络层的信息单元。
• 数据报（Datagram）：指起始点和目的地都使用无连接网络服务的网络层的信息单元。
• 段（Segment）：指起始点和目的地都是传输层的信息单元。
• 消息（Message）：指起始点和目的地都在网络层以上的信息单元（经常在应用层）。
• 元素（Cell）：指的是一种固定长度的信息，它的起始点和目的地都是数据链路层。元素通常用于异步传输模式（ATM）和交换多兆位数据服务（SMDS）网络等交换环境。
• 数据单元（Data unit）：常用的数据单元有服务数据单元（SDU）、协议数据单元（PDU）。
• 数据帧：帧数据由两部分组成：帧头部和帧数据，帧头部包括接收方主机物理地址的定位及其它网络信息，帧数据区含有一个数据体。
• IP 数据体由两个部分组成：数据体头部和数据体的数据区，数据体头部包括 IP 源地址和 IP 目标地址及其它信息，数据体的数据区包括用户数据协议、传输控制协议，还有数据包及其它信息。

1. 数据帧（Frame）

讲解：数据链路层的信息单元，负责在相邻设备间传输数据，包含物理地址（如 MAC 地址）等链路层信息。
例子：好比快递包裹在某个快递网点内部流转。包裹上贴着收件网点的地址标签（类似 MAC 地址），快递员按这个标签在网点内传递包裹，这个带标签的包裹就像数据帧。

2. 数据包（Packet）

讲解：网络层的信息单元，关注逻辑地址（如 IP 地址），用于不同网络间的路由选择。
例子：假设快递要从北京发往上海，快递系统根据目的地城市（类似 IP 地址）规划运输路线，这个按城市地址规划路线运输的快递包裹，就是数据包。

3. 数据报（Datagram）

讲解：网络层无连接服务的信息单元，发送方不确认接收方是否准备好，类似 “发了就不管”。
例子：像寄平信，写信人把信投入邮筒后，不跟踪信是否送达、是否丢失，只负责发送，这封信就像数据报。

4. 段（Segment）

讲解：传输层的信息单元，负责拆分大数据，确保可靠传输（如 TCP 协议分段）。
例子：传输一部 2GB 的电影时，传输层会把电影拆分成多个小段（类似拆分成多个小文件），每个小段添加传输控制信息（如编号），这些小段就是段。

5. 消息（Message）

讲解：网络层以上（常为应用层）的信息单元，直接面向用户需求。
例子：用微信发送一段文字 “你好”，这段文字对用户是直观的信息，应用层处理后发送，这个文字内容就是消息，用户不关心底层如何传输。

6. 元素（Cell）

讲解：数据链路层的固定长度信息单元，用于 ATM 等交换网络（与可变帧长的传统以太网相比，ATM固定心愿长度传输更适用于实时性、稳定性要求极高的业务；但因技术复杂、成本高，逐渐被以太网等技术取代，目前更多用于特定专业领域），传输高效、规则。
例子：像标准化的货柜，每个货柜大小、规格固定（固定长度）。在 ATM 网络中，数据像货物一样被装进这些固定规格的货柜传输，确保快速交换，这个货柜就是元素。

7. 数据单元（SDU、PDU）

• 服务数据单元（SDU）：上层协议交给下层处理的数据，关注 “服务内容”。
  例子：用户在网盘上传文件，文件内容就是 SDU，网盘底层协议（如 HTTP）会处理它。
• 协议数据单元（PDU）：加入协议控制信息后的数据单元，关注 “协议处理”。
  例子：还是上传文件，底层协议给文件添加头部信息（如传输规则、地址），组合后的整体（文件 + 头部）就是 PDU，类似给文件装个 “协议信封” 再发送。

各层执行的任务：

         主机到网络层负责将信息从一台计算机传输到远程计算机。它处理传输介质的物理性质，并将数据流换分为定长的帧，以便在发生传输错误时重传数据块。假设几台电脑共享同一传输线程，网络接口卡必须有唯一一个ID号，MAC地址。

        IP使用一定格式的地址来寻址计算机，比如192.168.186.138，这些地址由正式注册权威机构或提供者分配（有时为动态的）。

2.创建套接字

        套接字不仅可以用于各种传输协议的IP连接，也可以用于内核支持的所有其他地址和协议类型（例如：IPX、Appletalk、本地UNIX套接字，还有在<socket.h>中列出的许多其他类型）。

• sa_family：是地址家族，一般都是以 AF_XXX 形式出现，比如大多数都是用 AF_INET，代表 TCP/IP 协议中用于ipv4的地址家族。
• Sa_data：是 14 字节协议地址。这个数据结构用做 bind, connect, recvfrom, sendto 等函数的参数，指明地址信息。

         short sin_family; // 一般是指：AF_INET 地址族 PF_INET 协议族
        unsigned short sin_port;// 端口号（必须要采用网络数据格式，普通数字大家可以使用 htons () 函数转换成网络数据格式的数字）
        struct in_addr sin_addr; // IP 地址 32 位
        unsigned char sin_zero [8]; // 它没有实际意义，只是为了跟 sockaddr 结构在内存中对齐

         in_addr_t s_addr就是存储32位的ipv4地址，明确区分IPv4地址与其他数据，避免直接操作原始整数，并与特定API兼容（如bind、connect）。

        BSD 网络软件中包含两个重要的函数：inet_addr，inet_ntoa。用来在二进制地址格式和点分十进制字符串格式之间转换，仅支持 IPv4。也有两个函数同时支持 IPv4 和 IPv6：inet_ntop, inet_pton。

3.使用套接字

        简要说明套接字如何表示到内核网络子系统的接口，设计简短程序。例如简单的并发服务器模型如下图所示。在服务器端，主程序提前构建多个子进程，当客户端的请求到来的时候，系统从进程池中选取一个子进程处理客户端的连接，每个子进程处理一个客户端的请求，在全部子进程的处理能力得到满足之前，服务器的网络负载是基本不变的。

         TCP 并发服务器，在处理客户端请求之前，程序先分叉为 3 个子进程，对应多个客户端的请求，由多个子进程进行处理。与循环服务器相比较，并发的 TCP 程序，在处理客户端请求的时候，不再简单地使用一个 while 进行客户端请求的串行处理，而是 fork () 一个进程，将客户端的请求放到一个进程中进行处理。

（1）server.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>#define BUFFLEN 1024
#define SERVER_PORT 8888
#define BACKLOG 5
#define PIDNUMB 3
static void handle_connect(int s_s)
{	int s_c;	struct sockaddr_in from;				socklen_t len = sizeof(from);while(1){s_c = accept(s_s, (struct sockaddr*)&from, &len);time_t now;								char buff[BUFFLEN];						int n = 0;memset(buff, 0, BUFFLEN);			n = recv(s_c, buff, BUFFLEN,0);		if(n > 0 && !strncmp(buff, "TIME", 4))	{memset(buff, 0, BUFFLEN);			now = time(NULL);					sprintf(buff, "%24s\r\n",ctime(&now));	send(s_c, buff, strlen(buff),0);	}		close(s_c);	}}
void sig_int(int num)
{exit(1);	
}
int main(int argc, char *argv[])
{int s_s;									struct sockaddr_in local;					signal(SIGINT,sig_int);  //捕获ctrl+C,使用sig_int函数处理s_s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&local, 0, sizeof(local));			local.sin_family = AF_INET;					local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);	local.sin_port = htons(SERVER_PORT);		bind(s_s, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));listen(s_s, BACKLOG);				pid_t pid[PIDNUMB];int i =0;for(i=0;i<PIDNUMB;i++){pid[i] = fork();if(pid[i] == 0)						{handle_connect(s_s);}}while(1);	close(s_s);return 0;
}

（2）client.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#define BUFFLEN 1024
#define SERVER_PORT 8888
int main(int argc, char *argv[])
{int s;	struct sockaddr_in server;				char buff[BUFFLEN];							int n = 0;								s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&server, 0, sizeof(server));		server.sin_family = AF_INET;				server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server.sin_port = htons(SERVER_PORT);			connect(s, (struct sockaddr*)&server,sizeof(server));memset(buff, 0, BUFFLEN);					strcpy(buff, "TIME");					send(s, buff, strlen(buff), 0);memset(buff, 0, BUFFLEN);					n = recv(s, buff, BUFFLEN, 0);if(n >0){printf("TIME:%s",buff);	}close(s);return 0;
}

4.数据报套接字

        UDP是建立在IP连接之上的第二种广泛使用的传输协议。UDP表示User Datagram Protocal（用户数据报协议）。UDP通常用于视频会议、音频流以及类似的服务。

UDP 与 TCP 有所不同
● UDP 是面向分组的，在发送数据之前，无须建立显式的连接；
● 分组可以在传输期间丢失，不保证数据一定能够到达其目的地；
● 分组接收的次序不一定与发送的次序相同。

        

二、网络分层模型

1.模型

        内核网络子系统的实现与刚介绍的TCP\IP参考模型非常相似。相关的C语言代码划分为不同层次，各层次都有明确定义的任务，各个层次只能通过明确定义的接口与上下文紧邻的层次通信。这种做法的好处在于，可以组合使用各种设备、传输机制和协议。

2.历史上的协议 

一、AppleTalk 协议

1. 背景与历史

• 开发者：Apple 公司（1985年推出）。

• 用途：专为早期 Macintosh 计算机 设计的局域网协议，支持文件共享、打印服务等。

• 现状：已被 TCP/IP 取代，现代 macOS 不再原生支持。

2. 协议组成

• DDP（Datagram Delivery Protocol）：

  • 作用：网络层协议，提供无连接的数据报传输（类似 IP）。

  • 寻址：使用 网络号 + 节点号（如 Network 100, Node 5）。

• ATP（AppleTalk Transaction Protocol）：

  • 作用：传输层协议，提供可靠的事务处理（类似 TCP）。

  • 特点：基于请求-响应模型，确保数据完整性。

• 其他协议：

  • ZIP（Zone Information Protocol）：管理逻辑网络分区（Zone）。

  • NBP（Name Binding Protocol）：将设备名解析为网络地址。

3. 网络拓扑

• 物理层：支持 LocalTalk（专用串行接口，速度 230 Kbps）、EtherTalk（基于以太网）。

• 局限性：低速、封闭生态，难以适应互联网时代需求。

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二、IPX/SPX 协议

1. 背景与历史

• 开发者：Novell 公司（1980年代）。

• 用途：为 Novell NetWare 网络操作系统设计的核心协议。

• 现状：逐渐被 TCP/IP 取代，Windows 通过 NWLink 兼容 IPX/SPX。

2. 协议组成

• IPX（Internetwork Packet Exchange）：

  • 作用：网络层协议，提供无连接的数据包路由（类似 IP）。

  • 寻址：使用 网络号 + 节点号（MAC地址）（如 Network 0x1A2B, Node 00:1A:2B:3C:4D:5E）。

• SPX（Sequenced Packet Exchange）：

  • 作用：传输层协议，提供面向连接的可靠传输（类似 TCP）。

  • 特点：支持数据分段、按序传递和重传机制。

3. 优势与局限

• 优势：

  • 高效路由：IPX 的路由协议（RIP）简单高效，适合局域网。

  • 即插即用：节点自动获取网络号，无需手动配置。

• 局限：

  • 缺乏互联网兼容性：IPX 地址格式与 IP 不兼容，无法直接接入互联网。

  • 协议臃肿：SPX 的可靠性机制增加了开销。

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三、SDLC 与 HDLC 协议

1. SDLC（Synchronous Data Link Control）

• 背景：IBM 为 SNA（Systems Network Architecture） 设计的数据链路层协议。

• 特点：

  • 同步传输：时钟信号同步数据帧。

  • 拓扑支持：点对点、多点（轮询机制）。

  • 帧格式：帧头 + 数据 + CRC 校验 + 帧尾。

• 应用场景：早期 IBM 大型机与终端通信。

2. HDLC（High-Level Data Link Control）

• 背景：基于 SDLC 改进，由 ISO 标准化（ISO 13239）。

• 改进点：

  • 协议独立性：支持多种网络层协议。

  • 帧类型扩展：新增监控帧（Supervisory Frame）和无编号帧（Unnumbered Frame）。

  • 多点连接优化：支持平衡模式（两台设备平等通信）。

• 应用场景：广域网（如 PPP 协议基于 HDLC 设计）、路由器间通信。

3. 关键对比

特性	SDLC	HDLC
标准化	IBM 私有协议	ISO 国际标准（ISO 13239）
拓扑支持	主从模式（Primary-Secondary）	平衡模式（Peer-to-Peer）
帧类型	仅信息帧和控制帧	信息帧、监控帧、无编号帧
适用性	专用于 SNA 网络	通用广域网和数据链路层

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四、协议在 OSI 模型中的位置

协议	OSI 层级	核心功能
AppleTalk	网络层（DDP） 传输层（ATP）	数据报传输、可靠事务处理
IPX	网络层	数据包路由与寻址
SPX	传输层	可靠连接与数据分段
SDLC/HDLC	数据链路层	帧同步、错误检测、流量控制

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五、为何这些协议被淘汰？

1. TCP/IP 的崛起：

   • 开放性：TCP/IP 是开放标准，跨平台兼容性强。

   • 互联网支持：IP 地址体系天然适配全球互联网。

2. 技术局限性：

   • AppleTalk 和 IPX 的封闭生态难以扩展。

   • SDLC/HDLC 复杂度高，被更简单的 PPP、以太网取代。

3. 硬件演进：

   • 高速以太网和无线网络需要更高效的协议栈。

3.各协议层的数据划分为首部和数据

         首部部分包含了与数据部分有关的元数据（目标地址、长度、传输协议类型等），数据部分包含有用数据（或净荷）。传输的基本单位是帧，网卡以帧为单位发送数据。帧首部部分的主要数据项是目标系统的硬件地址，这是数据传输的目的地，通过电缆传输数据时也需要该数据项。
高层协议的数据在封闭到以太帧时，将协议产生的首部和数据元二组封装到帧的数据部分。
以太网帧中，通过 TCP/IP 传输 HTTP 数据如下：