二、用电信号传输 TCP/IP 数据

1 创建套接字

1.1 套接字的实体就是通信控制信息

​ 在协议栈内部用一块用于存放控制信息的内存空间，里面记录了控制通信操作的控制信息。包括：通信对象的IP地址、端口号、通信操作的进行状态等。套接字只是一个概念，并不存在实体。

​ 协议栈在执行操作时需要查看这些控制信息。例如，需要查看套接字中的通信对象IP地址和端口号，以便发送数据。

协议栈就是根据套接字中记录的控制信息来工作的。

在 windows 中可以通过 netstat 命令显示套接字内容：

netstat 命令是用于显示套接字内容的命令，-ano 选项表示下面的意思：

a 不仅显示正在通信的套接字，还显示包括尚未开始通信等状态的所有套接字

n 显示IP地址和端口号

o 显示使用该套接字的程序PID

1.2 调用socket时的操作

​ 应用程序调用socket申请创建套接字。协议栈会先为该套接字分配所需的内存空间，然后向其写入初始状态，也就是控制信息。

​ 接下来，就会把该套接字的 描述符 告诉给应用程序。

在该阶段，套接字中并没有存储服务器的 IP 和端口号，服务器也还不知道客户端的 IP 和端口号。等在 连接服务器阶段 才会交换这些控制信息。

2 连接服务器

2.1 连接的意思

连接 实际就是通信双方交换控制信息：

• 浏览器把服务器的 IP 和端口号 告诉给协议栈
• 客户端告诉服务器自己的IP和端口号
• 准备数据收发的一连串操作

在连接操作的过程中，还会分配一块缓冲区，它的作用是：临时存放要收发的数据。

2.2 连接操作的实际过程

3 收发数据

3.1 将 HTTP 请求消息交给协议栈

协议栈并不是一收到数据就马上发送出去，而是把放到缓冲区等待，这样做的目的是为了避免大量的小包，导致网络效率下降。对于什么时候才发送，有以下几个判断因素：

• 每个网络包的数据长度。

  MTU：一个网络包的数据长度，以太网中一般是1500字节。

  MSS：除去头部之后，一个网络包所能容纳的 TCP 数据的最大长度。

• 时间。

3.2 对较大的数据进行拆分

如果发送缓冲区中的内容拆过了 MSS 的长度，TCP模块 就会进行拆分，并在每一块的前面加上 TCP 头部，然后交给 IP模块 来执行数据的发送操作。

TCP 采用序号和ACK的方法来确定对方是否收到了数据，在得到对方确定之前，发送过的数据都会保存在缓冲区中。如果没有收到对方返回的 ACK号，那么就会重新发送这些包。

​ 归功于 TCP 的这一机制，网卡、集线器、路由器都没有错误补偿机制，一旦检测到错误就直接丢弃相应的包。

3.3 根据网路包平均往返时间调整 ACK 号等待时间

​ 当网络传输拥堵时，ACK号的返回就会变慢，这时应该把等待时间设置的长些，否则就会有大量的包重传，导致网络更加拥堵。但是如果设置的时间很长，包的重传就会出现很大的延迟，也会导致网络速度变慢。

​ TCP 采用了动态调整等待时间的方法，这个时间是根据ACK号返回所需的时间来判断的。

3.4 使用窗口有效管理 ACK 号

滑动窗口方法 造成的问题是：发送包的频率会超过接收方的处理能力。

解决办法：接收方告诉发送方自己最多能够接受多少数据，然后发送方根据这个值进行控制。

3.5 接收 HTTP 响应消息

​ 浏览器在委托协议栈发送请求消息之后，会调用 read 程序来获取响应消息。如果响应消息还没有返回，这时接收缓冲区中没有数据，协议栈就会将应用程序挂起，等响应消息到达之后再执行接收操作。

​ 协议栈接受数据：检查是否有数据丢失，并返回ACK；将数据块放到接受缓冲区，并拼接，最后把数据交给应用程序（将接受到的数据复制到应用程序指定的内存地址）。

4 从服务器断开并删除套接字

4.1 数据发送完毕后断开连接

在 HTTP1.0 中，web服务器返回响应消息后，服务器就会发起断开过程。

在 HTTP1.1 中，服务器返回响应消息后，客户端仍然可以发起下一次请求消息，如果接下来没有请求要发送，客户端就会发起断开过程。

4.2删除套接字

通信结束后，并不是立即就删除该套接字，而是会等待一段时间之后再删除。原因：防治误操作。

例如：

1. 客户端先发起FIN
2. 服务器返回ACK
3. 服务器发起FIN
4. 客户端返回ACK

如果在第4步中网络包丢失了，这时服务器就会重发一次 FIN。如果这时在客户端中该套接字已经被删除，并且已经分配给另一个应用程序使用，这时这个FIN就会跑到这个新的套接字里，新的套接字就会执行断开过程。发生了误操作。

5 IP与以太网的包收发操作

5.1 包收发操作

路由器 根据目的IP地址得到下一个路由器的位置，是按照 IP 规则 传输包。

集线器 将包传输给下一个路由器，是按照 以太网规则 传输包。

IP和以太网规则就像：IP规则计算出位置，然后把位置告诉以太网规则，让它去干活。

这样分开的好处是：可以更好地根据需要使用各种通信技术。

5.2 生成 IP 头部

​ IP模块在生成 IP 头部时，最重要的内容就是 IP 地址，包括发送方的 IP 地址和接收方的 IP 地址，其中接收方的 IP 地址是由 TCP模块告诉的，而TCP又是在连接阶段从应用程序那里获得的。

​ 关于发送方的 IP 地址，如果计算机上有多块网卡，IP模块就需要通过 “路由表” 来得到应该把包发送给哪个网卡。

IP地址实际上是分配给网卡的，因此如果计算机上有多块网卡，每一块网卡都会有自己的IP地址。

5.3 生成 MAC 头部

MAC 头部中的字段包括：

• 接收方的 MAC 地址
• 发送方的 MAC 地址
• 以太网类型：IP协议、ARP协议等