参考资料：https://xiaolincoding.com/network/1_base/tcp_ip_model.html#应用层
网络模型
Q1：为什么需要网络模型？
同一台设备上的进程间通信，有多种方式，例如管道、消息队列、共享内存、信号等；
不同设备上的进程间通信，就需要网络通信。由于设备是多样性的，为了兼容多种设备，协商出了一套通用的网络协议；
网络协议是分层的，这种体系结构就是网络模型。
Q2：网络模型有哪几种？主要有3种
TCP/IP协议模型：4层
（从上到下）应用层 || 传输层 || 网络层 || 网络接口层
- 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、DNS、FTP 等;
- 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等；
- 网络层，负责网络包的封装、分片、路由、转发，比如 IP、ICMP 等；
- 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如网络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测，以及通过网卡传输网络帧等；
实际应用：5层
应用层 || 传输层 || 网络层 || 数据链路层 || 物理层
OSI参考模型：7层
应用层 || 表示层 || 会话层 || 传输层 || 网络层 || 数据链路层 || 物理层 - 应用层，负责给应用程序提供统一的接口；
- 表示层，负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式；
- 会话层，负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话；
- 传输层，负责端到端的数据传输；
- 网络层，负责数据的路由、转发、分片；
- 数据链路层，负责数据的封帧和差错检测，以及 MAC 寻址；
- 物理层，负责在物理网络中传输数据帧；
常说的七层和四层负载均衡，是用 OSI 网络模型来描述的，七层对应的是应用层，四层对应的是传输层
Q3：协议栈是什么？
所有的网络数据都是通过一层层协议来传送的，像栈一样，所以叫协议栈。
网络运作流程
理论
以一个简单的网络拓扑模型为例
角色：1.客户端 2.服务器 3.交换机 4.路由器
应用程序：网络应用程序->Socket库
操作系统：协议栈（TCP、UDP->IP）
驱动程序（一般嵌入在操作系统中）：网卡驱动程序（控制网卡）
硬件：物理硬件网卡
客户端在浏览器键入一个网址，回车。
应用层：HTTP协议
1.解析URL（网址）
KN1：URL元素组成
http:+//+Web服务器+/+目录名+/+......+文件名
示例：http://www.server.com/dir1/file1.html
当没有路径名时，访问根目录下事先设置的默认文件
2.产生HTTP请求信息（ps：响应报文是服务器返回过来的格式）
应用层：DNS协议
Q1：为什么需要DNS协议？
因为委托操作系统发送消息时，必须提供通信对象的IP地址。HTTP协议解析URL时只能获得服务器的域名。
KN1：域名的层级关系
越靠右层级越高。根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中
根DNS服务器(.)
顶级域DNS服务器(.com)
权威DNS服务器(server.com)
KN2：域名解析的工作流程
输入：域名
输出：IP地址
需要与DNS服务器进行交互；
交互前：1.查看浏览器缓存 2.查看操作系统缓存 3.查看hosts文件
获得IP地址后，应用程序调用Socket，委托操作系统的协议栈来工作。协议栈包括传输层的TCP、UDP协议，网络层的IP协议。
传输层：TCP协议
KN1：TCP数据包格式
KN2：TCP的三次握手
KN3：TCP分割数据
网络层：IP协议
KN1：IP数据包格式
KN2：客户端网卡的源IP地址选择
以太网需要MAC头部。发送方的MAC地址在网卡的ROM中。对于接收方的MAC地址⬇
网络层：ARP协议
1.查询ARP缓存，若保存了对方的MAC地址直接使用
2.ARP缓存中不存在，则发送ARP广播查询
网络接口层：
网卡驱动程序为网络包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
网卡驱动程序控制网卡将数字信息转换为电信号
二层网络设备-交换机原样转发网络包；
三层网络设备-路由器转发发给自己的网络包
数据包到达服务器后，接收端通过每一层时删除头部；对请求进行响应。最后完成TCP的四次挥手
总结：发送端和接收端反复扒皮和加皮；在路径上数据包不断转发。
Linux收发网络包流程
网卡负责接受和发送网络包。
当网卡接收到一个网络包后，会通过DMA技术，将网络包写入到指定的内存地址，即Ring Buffer，这是一个环形缓冲区。然后告诉操作系统网络包已经到达。
通知操作系统最简单的一种方式就是触发中断。为了解决频繁中断带来的性能开销，Linux 内核在 2.6 版本中引入了 NAPI 机制，它是混合「中断和轮询」的方式来接收网络包，它的核心概念就是不采用中断的方式读取数据，而是首先采用中断唤醒数据接收的服务程序，然后 poll 的方法来轮询数据。
即通知操作系统时，网卡依然向CPU发起硬件中断，CPU收到后，首先根据中断表调用已经注册的中断处理函数①。
②发起硬件中断处理函数，需要先「暂时屏蔽中断」，表示已经知道内存中有数据了，告诉网卡下次再收到数据包直接写内存就可以了，不要再通知 CPU 了，这样可以提高效率，避免 CPU 不停的被中断
③发起软中断处理函数，内核中的 ksoftirqd 内程收到软中断后，就会来轮询处理数据。从 Ring Buffer 中获取一个数据帧，用 sk_buff 表示，从而可以作为一个网络包交给网络协议栈进行逐层处理
④恢复刚才屏蔽的中断
当应用程序要发送网络包时，应用程序会进行系统调用从用户态陷入到内核态中的 Socket 层，内核会申请一个内核态的 sk_buff 内存，将用户待发送的数据拷贝到 sk_buff 内存，并将其加入到发送缓冲区①
②网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出 sk_buff，从上到下逐层处理
③当到达网卡的发送队列时，触发「软中断」告诉网卡驱动程序，这里有新的网络包需要发送，驱动程序会从发送队列中读取 sk_buff，将这个 sk_buff 挂到 RingBuffer 中，接着将 sk_buff 数据映射到网卡可访问的内存 DMA 区域，最后触发真实的发送
④当数据发送完成的时候（eg:收到TCP报文的ACK应答时），网卡设备会触发一个硬中断来释放内存，主要是释放 sk_buff 内存和清理 RingBuffer 内存
sk_buff是定义在内存中的结构体，它可以用来表示各个层的数据包。这样可以大大提高CPU效率，减少拷贝次数。是通过调整sk_buff中的data指针来实现的
