收發資料的原理(上)
前言：網路知識非常的重要，如果你不是做程式的，那麼一些網路常識還是得知道的；而做程式的，就更不用說了，不僅需要了解一些網路知識，還是知道其原理，如果不瞭解原理，不敢說他不是程式設計師，但是總缺了點意思，就像去北京沒去過長城一樣。
上一篇五分鐘瞭解網路連線講了網路連線的大概流程，並且文末講到客戶端委託協議棧收發資料可以總結為四步：
1、建立套接字（建立套接字階段）
2、將管道連線到伺服器端的套接字上（連線階段）
3、收發資料（通訊階段）
4、斷開管道並刪除套接字（斷開階段）
本文會對前兩個步驟展開描述，後面兩個步驟，下一篇文章介紹，敬請關注！由於網路知識點非常繁雜，讀者請沉住氣閱讀此文，我儘可能詳細介紹，儘可能的不那麼枯燥，所以本文介紹也有側重點。讀完本文，你可能會對一些知識恍然大悟，哦，原來是這樣啊！好了，廢話不多說，直接進入主題。
創造套接字
協議棧的內部結構
image.png
上面是協議棧的內部結構。分為接個部分。上面部分會向下面的部分委派工作。
應用程式的下面是Socket庫，其中包括解析器，解析器向DNS伺服器發出查詢，它的工作過程我們在上一篇已經介紹過了。
再下面就是作業系統內部了，其中包括協議棧。協議棧的上半部分有兩塊，分別是負責用TCP協議收發資料的部分和負責用UDP協議收發資料的部分，它們會接受應用程式的委託執行收發資料的操作。關於TCP和UDP，會在後面文章講解，目前只要知道像瀏覽器、郵件等一般的應用程式、QQ檔案傳輸都是使用TCP收發資料的，而像DNS查詢、QQ語音 、QQ視訊等收發較短的控制資料的時候則使用UDP。
協議棧的下半部分是利用IP協議控制網路包收發資料的部分，在網際網路中傳送資料，需要將資料分成一個個小的網路包，然後將網路包傳送給通訊物件就是由IP負責的。另外，ICMP用於錯誤提示以及各種控制訊息，ARP則是用於查詢IP相應的乙太網MAC地址。現在只需要大概知道這個名詞，後面才會細講。
IP下面是驅動程式負責控制網絡卡硬體，最下面的網絡卡則是負責完成實際的收發操作——對網線中的訊號執行傳送和接受操作。
套接字的實體
實際上套接字並沒存在實體，只是一個概念。在協議棧內部有一塊存放控制資訊的記憶體空間，用於記錄通訊操作的控制資訊。比如通訊物件的IP地址、埠號、通訊操作的狀態等。所以硬要說套接字是個實體，那就是這些控制資訊或者是儲存這些控制資訊的記憶體空間。
協議棧執行操作時需要參閱這些控制資訊。來決定下一步該做什麼。比如：傳送資料時，看看IP地址和埠號；傳送資料後，協議棧需要等待對方返回資料的響應資訊，但是資料可能會半途丟失。我們不可能一直等待，所以套接字中需要記錄是否已經收到或者傳送資料了多久，才方便知道是否要重發資料。套接字的控制資訊還有很多作用，在此不一一列舉了。
協議棧是根據套接字中記錄的控制資訊工作的。
呼叫Socket庫中的元件
建立套接字時，需要呼叫Socket庫中的socket元件，注意這裡，大寫的是Socket，小寫是庫中的一個程式元件。
應用程式呼叫socket程式申請建立套接字，而協議棧則根據應用程式的申請執行建立套接字的操作。
在建立過程中，協議棧會分配一個用於存放套接字所需的記憶體空間，用於存放記錄套接字操作的控制資訊。建立套接字時，資料收發操作還沒開始，所以把這初始狀態的資訊存入記憶體空間中。到此，建立套接字操作完成。
建立套接字，不僅要分配空間，而且需要初始化狀態資訊。
然後，套接字需要將它的描述符告訴應用程式。描述符相當於車庫號，告訴我車庫號，我才知道哪個才是我要的車庫。同樣，描述符是用在應用程式委託協議棧收發資料的時候。套接字包含了通訊物件的資訊，比如已經說過的IP地址、埠號，所以應用程式收到套接字的描述符，應用程式再提供給協議棧，協議棧就知道了套接字中所包含的通訊物件資訊，就可以準備連線通訊物件了。
連線伺服器
關於連線
因為歷史原因，其實這裡的“連線”就更像是通訊前的準備，叫“準備”其實更適合
呼叫socket程式申請建立完套接字，然後應用程式會呼叫Socket庫的另外一個程式元件connect，這樣協議棧就會將本地的套接字與伺服器的套接字進行連線。這裡的連線是指通訊雙方交換控制資訊，在套接字記錄一些必要資訊並準備資料收發的一連串操作。
我們說的連線不是指網線一直插著的連線，不是指通訊過程中將資料轉換成電訊號。而是當應用程式委託傳送資料時，協議棧通過描述符找到的套接字取得通訊物件的IP地址和埠號等資訊。這屬於連線操作的目的之一。
說完應用程式，再說下伺服器那邊，伺服器也會建立套接字，但是伺服器的協議棧和客戶端這邊一樣，沒有類似一個描述符的東西就沒辦法知道通訊物件，沒法開始通訊。所以得有客戶端先開始請求，告訴伺服器必要資訊。比如“我要和你請求，我的IP地址是10.10.1.118，埠號是8900”。所以，應用程式向伺服器傳送請求，也是連線操作的目的之一。
連線實際上通訊雙方交換控制資訊，在套接字中記錄必要資訊並準備資料收發的一連串操作。
控制資訊，是控制資料收發操作的一些資訊。IP地址、埠號就屬於其中的資訊。其餘的控制資訊，我們後面再介紹。雙方通過通訊規則進行資訊交換從而完成資料收發準備。收發操作，需要一塊臨時存放要收發的資料的記憶體空間，這塊記憶體空間叫做緩衝區，它是在連線操作過程中分配的。
關於控制資訊頭部
控制資訊可以分為兩類。一是客戶端和伺服器相互聯絡時交換的控制資訊。二是儲存在套接字中，用來控制協議棧操作的資訊。
第一類：客戶端和伺服器交換的控制資訊，不僅是在連線時需要，包括資料收發和斷開連線操作在內，整個通訊過程都需要。我們前面說過，資料會被分成一個個網路包傳送，而這些資訊就是被新增在客戶端與伺服器傳遞的網路包的開頭。在連線階段，由於資料收發還沒有開始，網路包中沒有實際資料，只有控制資訊。這些控制資訊位於網路包的開頭，因此成為頭部。當然，乙太網和IP協議也有自己的頭部（包含著控制資訊）,為了避免不同頭部混淆，我們一般記作TCP頭部，乙太網頭部、IP頭部。 本文主要講解TCP頭部 ，其餘知識後面再講，讀者有興趣可先自行查閱。
客戶端和伺服器在通訊中會將必要的資訊存放在頭部並相互確認。大家現在要知道的就是頭部是用來記錄和交換控制資訊的。
第二類:套接字中的控制資訊。這裡會儲存應用程式傳遞來的資訊以及從通訊物件接收到的資訊，還有收發資料操作的執行狀態等資訊也會保存於此，協議棧根據這些資訊來執行每一步操作。
通訊操作中使用的控制資訊分為兩類：
(1)頭部中的資訊
(2)套接字（協議棧的記憶體空間）中記錄的資訊
連線操作的實際過程
上面我們已經介紹了連線（準備）操作的含義，接下來看一下具體操作過程。首先是應用程式呼叫Socket庫中的connect，類似下面:point_down:
connect (<描述符>,<伺服器IP地址>,<伺服器埠號>，...)
上面的呼叫提供了伺服器的IP地址和埠號，這些資訊會傳遞給協議棧中的TCP模組。TCP模組就會與該IP地址對應的物件，也就是與伺服器的TCP模組交換控制資訊。
tcp-header
seq:(Sequence Number)：本報文段資料的第一個位元組的序號
ack:(Acknowledgment Number)：確認號——期望收到對方下個報文段的第一個資料位元組的序號
控制位包含以下幾部分
URG：緊急指標有效位。
SYN：建立連線，當需要建立連線時，他的值為1.即SYN=1
ACK：確認連線，當ACK=1是才有效，ACK=0是此控制位無效。
FIN：斷開連線，提出斷開連線這一方的值為1.
RST：重新建立連線，值為1時代表重新建立連線。
PSH：要求接收方將資料儘快將資料段送達應用層
上圖主要介紹了TCP頭部。其中TCP頭部目前要認知的有傳送方和接收方的埠號,序號（seq）是傳送方告訴接收方本報文段資料的第一個位元組的序號，ack號是接收方告訴傳送方已收到了所有資料的第幾個位元組。其中ack是Acknowledgment Number的縮寫。可能讀者納悶IP地址在哪，IP地址其實在IP頭部才有。由於本文重點是介紹TCP，所以下方只給出IP頭部圖，讀者自行閱讀
ip-header
應用程式與伺服器的TCP模組交換控制資訊這一過程包含幾個步驟：首先，客戶端先建立一個包含表示開始資料收發操作的控制資訊的頭部（上面所說網路包中開頭的控制資訊），頭部包含很多欄位，其中要關注的重點是客戶端和伺服器的埠號，也就是說，客戶端的套接字知道了連線伺服器的哪個套接字。然後，我們把頭部中的控制位的SYN設定為1，大家可以認為它表示連線。此外，還需設定適當的序號和視窗大小。
連線操作的第一步是在TCP模組處建立表示連線控制資訊的頭部
通過TCP頭部中的傳送方和接收方的埠號可以找到要連線的套接字
當TCP頭部建立好之後，接下來TCP模組會將資訊傳給IP模組並委託它進行傳送。IP模組執行網路包傳送操作後，網路包就會通過網路傳送到伺服器的IP模組，再由伺服器的IP模組把接收到的資料傳給伺服器自身的TCP模組，這時，伺服器的TCP模組會根據TCP頭部的資訊找到埠號對應的套接字，然後套接字就會寫入相應的資訊，並把狀態改成正在連線。
TCP模組、IP模組分別屬於網路原理中OSI模型7層結構的傳輸層、網路層，而傳輸層處於網路層的上一層，也就是高一層，要完成傳送資料，必須從通訊一方的高層傳到低層，再通過網路傳給通訊另外一方的低層，再到那一方的高層完成接收。所以傳送資料得從高一層的TCP到低層的IP模組逐一傳遞。
上述操作完成後，伺服器的TCP模組會返回響應，這個過程跟客戶端傳送資料給服務端一樣，需要在TCP頭部中設定傳送方和接收方埠以及SYN位元。另外，客戶端向伺服器傳送第一個網路包時，由於伺服器還沒有接受過網路包，所以ACK位元設為0，那麼在返回響應就需要將ACK控制位設為1，表示已經收到相應的網路包。網路中經常發生錯誤，網路包也會丟失。因此通訊雙方必須相互確認網路包是否已經送達，通訊雙方如何確認?其實就是通過設定ACK。接下來，伺服器TCP模組會講TCP頭部傳給IP模組，並委託IP模組向客戶端返回響應。
然後，網路包就會返回客戶端，通過IP模組到達TCP模組，並通過TCP頭部資訊確認連線伺服器的操作是否成功。如果SYN為1，則表示連線成功，這時會向套接字中寫入伺服器的IP地址、埠號等資訊，同時還會將狀態改成連線完畢。到這裡，客戶端的操作就已經完成。但其實還剩下一個步驟，客戶端收到資料後，也要像伺服器那樣把把ACK設定為1，併發回給伺服器，告訴伺服器，我已經收到伺服器發來的響應包，當伺服器收到這個返回包後，連線操作才算全部完成。
有沒有覺得上面的雙方相互確認網路包操作，似乎很熟悉，沒錯！它其實就是tcp的三次握手。
TCP三次握手
1.A向B發起建立連線請求：
2.B收到A的傳送訊號，並且向A傳送確認資訊
3.A收到B的確認訊號，並且向B傳送確認訊號
連線（準備）操作完成後，套接字可以隨時進行收發資料了，這個時候我們可以理解通訊雙方已經有一條相連的管道，這條管道連線著雙方的套接字。當然這條管道並不真正存在，只是業界為了方便理解，比喻而已。
建立連線後，協議棧的連線操作就結束了。也就是說，當初應用程式呼叫Socket庫中connect程式元件操作已經執行完畢，控制流程又重新交回到客戶端。等到後面的收發資料操作。
在此，收發資料的建立套接字階段、連線階段已經講完，剩下的通訊階段、斷開階段留到下次再講。網路的東西很枯燥，並且並不是那麼視覺化，學會的要訣是沉住氣，看到這裡，如果你現在還不能講到收發資料的前兩個步驟，請回到文章頂部，再看一遍。Over and over again，你就會學有所成。
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