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Note for Computer Network 4

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包收发操作

副标题：阅读《网络是怎么连接的（户根勤）》读书笔记4

IP模块如何将包发给对方

通用流程

  1. 发送方的网络设备负责创建包，即生成含控制信息的头部，然后附上要发送的数据
  2. 接着，包被发往最近的网络转发设备
  3. 然后转发设备会根据头部信息判断接下来应该发往哪里，这个过程会用到一张表，按照头部记录的目的地址在表里查询，根据查到的信息判断接下来应该发往哪个方向
  4. 转发设备层层接力，最后到达接收方
  5. 发送方和接收方统称为终端节点，转发设备称为转发节点或中间节点

扩展流程——TCP/IP网络，用以太网规则传输包

  • 转发设备包括路由器和集线器两种
  • 路由器根据目标地址判断下一个路由器的位置，是按照IP规则传输包的设备
  • 集线器在子网中将网络包传递给下一个路由，是按照以太网规则传输包的设备
  • TCP/IP包包含MAC头部和IP头部、TCP头部和数据块，IP头部存入下一级路由器的IP地址，MAC头部存入下一级路由器的MAC地址(即以太网地址，是IP协议写入的，使用ARP广播的形式获取)，MAC地址也叫物理地址(Physical Address)
  • 例：
    1. 客户端向服务器发包，先经集线器配合自己的一张表读取MAC头部获取下一个路由器甲的MAC地址，根据MAC地址，让以太网进行包的传输
    2. 包会到达下一个路由器甲，路由器有一张IP协议的表，再读取IP头部获取再下一个路由器乙的IP地址，为了将包发给再下一个路由器，就必须要下一个路由器乙的MAC地址，并记录到MAC头部

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委托操作

  1. 包收发操作的起点：TCP模块委托IP模块发包，过程为TCP模块在数据块的前面加上TCP头部，然后整个传递给IP模块；
  2. 收到委托的IP模块，将包的内容当作一整块二进制数据，并不关心内容，在前面加上IP头部和MAC头部
  3. 封装好的包被交给网络硬件即网卡，网卡会将该数字信息转换成光信号或电信号，以此到达集线器、路由器等转发设备

以太网的3个性质

  1. 接收方的MAC地址代表目的地，并放在包的MAC头部
  2. 发送方的MAC地址用来识别发送方
  3. 使用以太类型识别包的内容

网卡做了啥

  • 网卡驱动从IP模块获取包，将其复制到网卡内的缓存区中，然后向MAC模块发出发送包的命令

  • 接着MAC模块会将包从缓冲区中取出，并在开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列FCS，如下图：

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  • 报头是一串101010…交替出现的规则序列，长度56比特，形成波形用来判断读取时机，加上8比特的起始帧，网卡可以将它作为包的起始位置

  • 另，报头可以用来测量时钟信号，向接收方发送时钟信号的变化周期

  • 数据信号如果连续为1或连续为0时，比特之间的界限就会消失，所以增加时钟信号有助于判断比特之间的界限，所以一般实际传输的信号都是：数据信号和时钟信号异或之后的结果，如下图：

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  • FCS用来检查包传输过程中因噪声导致的波形紊乱、数据错误，是通过一个公式对包中从头到尾的所有内容进行计算而得出来的

完整的包发出去

  1. 一种是使用集线器的半双工模式，另一种使用交换机的全双工模式（即可以并行收发）
  2. 半双工中，需要等待信号传输完毕再发送下一组信号：
    1. MAC模块从报头开始将数字信息转换成电信号，然后由PHY（或者MAU，速率100Mbit/s以下叫MAU）的信号收发模块发送出去，每秒将10Mbit的数字信息转换成 电信号发送出去，速率就是10Mbit/s
    2. PHY（MAU）模块将信号转换成可在 网线上传输的格式，并通过 网线发送出去，PHY另一职责是监控接收线路有没有信号进来，没有信号进入时才允许发送，但以太网不会确认对方有没有收到信号
    3. 但出现碰撞的可能性仍较高，因此 必须要让等待的时间相互错开，等待的时间是根据MAC地址生成一个随机数计算出来的
    4. 如果冲突，等待时间延长一倍，然后重试，以此类推，最多重试10次，如果还是不行就报告通信错误
  3. 收包的过程是发包的逆序，但有一些注意点：
    1. MAC模块完成收包工作后，需要使用中断通知计算机收到了一个包：网卡向扩展总线中的中断信号线发送信号，CPU挂起正在处理的任务，然后切换到操作系统的中中断处理程序，中断处理程序会调用网卡驱动，控制网卡执行相应的接收操作
    2. 接收操作一般是判断协议类型，再交给对应协议栈处理，比如TCP/IP协议栈，接着轮到IP模块开始工作，判断是否是发给自己的包，如果发生这样的错误，IP模块会通过ICMP消息将错误告知发送方
    3. 如果接收方IP地址正确，IP协议需要完成分片重组的功能，将多个小包还原成原始包
    4. 然后交给TCP模块，TCP模块查找套接字，找到对应的套接字后根据通信状态执行相应的操作，比如通知应用程序干嘛干嘛

UDP协议的收发操作

UDP协议使用场景

  1. 数据很短的场景，一般一个包就能装下，回复的数据就可以当作接收确认了，不再需要专门的接收确认包，也就没有窗口机制，比如DNS的查询操作
  2. 对实时性要求很高的场景，比如发送音频和视频数据，可以忍受少许丢帧，但不能忍受卡顿

完成全书第2章，334页

-------------The End-------------