OSI 七层模型#
OSI 的七层体系结构概念清楚，理论也很完整，但是它比较复杂而且不实用，而且有些功能在多个层中重复出现。
物理层：底层数据传输，如网线；网卡标准。
数据链路层：定义数据的基本格式，如何传输，如何标识；如网卡 MAC 地址。
网络层：定义 IP 编址，定义路由功能；如不同设备的数据转发。
传输层：端到端传输数据的基本功能；如 TCP、UDP。
会话层：控制应用程序之间会话能力；如不同软件数据分发给不同软件。
表示层：数据格式标识，基本压缩加密功能。
应用层：各种应用软件，包括 Web 应用。
TCP/IP 四层模型#
TCP/IP 四层模型 是目前被广泛采用的一种模型，我们可以将 TCP / IP 模型看作是 OSI 七层模型的精简版本，由以下 4 层组成：
- 应用层
- 传输层
- 网络层
- 网络接口层
应用层#
应用层位于传输层之上，主要提供两个终端设备上的应用程序之间信息交换的服务，它定义了信息交换的格式，消息会交给下一层传输层来传输。 我们把应用层交互的数据单元称为报文。
所以，应用层只需要专注于为用户提供应用功能，比如 HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。
而且应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。
传输层#
传输层的主要任务就是负责向两台终端设备进程之间的通信提供通用的数据传输服务。 应用进程利用该服务传送应用层报文。“通用的” 是指并不针对某一个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。
传输层常见协议：
- TCP（Transmisson Control Protocol，传输控制协议 ）：提供面向连接的，可靠的字节流传输服务。
- UDP（User Datagram Protocol，用户数据协议）：提供无连接的，尽最大努力 的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），简单高效。
网络层#
网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP/IP 体系结构中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫 IP 数据报，简称数据报。
网络层的还有一个任务就是选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能通过网络层中的路由器找到目的主机。
互联网是由大量的异构（heterogeneous）网络通过路由器（router）相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议（Internet Protocol）和许多路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做 网际层 或 IP 层。
网络层常见协议：
- IP（Internet Protocol，网际协议）：TCP/IP 协议中最重要的协议之一，主要作用是定义数据包的格式、对数据包进行路由和寻址，以便它们可以跨网络传播并到达正确的目的地。目前 IP 协议主要分为两种，一种是过去的 IPv4，另一种是较新的 IPv6，目前这两种协议都在使用，但后者已经被提议来取代前者。
- ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）：ARP 协议解决的是网络层地址和链路层地址之间的转换问题。因为一个 IP 数据报在物理上传输的过程中，总是需要知道下一跳（物理上的下一个目的地）该去往何处，但 IP 地址属于逻辑地址，而 MAC 地址才是物理地址，ARP 协议解决了 IP 地址转 MAC 地址的一些问题。
- ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）：一种用于传输网络状态和错误消息的协议，常用于网络诊断和故障排除。例如，Ping 工具就使用了 ICMP 协议来测试网络连通性。
- NAT（Network Address Translation，网络地址转换协议）：NAT 协议的应用场景如同它的名称 —— 网络地址转换，应用于内部网到外部网的地址转换过程中。具体地说，在一个小的子网（局域网，LAN）内，各主机使用的是同一个 LAN 下的 IP 地址，但在该 LAN 以外，在广域网（WAN）中，需要一个统一的 IP 地址来标识该 LAN 在整个 Internet 上的位置。
- OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先） ）：一种内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP），也是广泛使用的一种动态路由协议，基于链路状态算法，考虑了链路的带宽、延迟等因素来选择最佳路径。
- RIP (Routing Information Protocol，路由信息协议）：一种内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP），也是一种动态路由协议，基于距离向量算法，使用固定的跳数作为度量标准，选择跳数最少的路径作为最佳路径。
- BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）：一种用来在路由选择域之间交换网络层可达性信息（Network Layer Reachability Information，NLRI）的路由选择协议，具有高度的灵活性和可扩展性。
网络接口层#
我们可以把网络接口层看作是数据链路层和物理层的合体。
- 数据链路层 (data link layer) 通常简称为链路层（ 两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的）。数据链路层的作用是将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。
- 物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异网络接口层重要功能和协议如下图所示：
基于 TCP/IP 四层模型的 Socket 网络编程#
Linux 网络协议栈#
从图的网络协议栈，你可以看到：
- 应用程序需要通过系统调用，来跟 Socket 层进行数据交互；
- Socket 层的下面就是传输层、网络层和网络接口层；
- 最下面的一层，则是网卡驱动程序和硬件网卡设备；
接收过程#
网卡是计算机里的一个硬件，专门负责接收和发送网络包，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，也就是写入到 Ring Buffer ，这个是一个环形缓冲区，接着就会告诉操作系统这个网络包已经到达。
那应该怎么告诉操作系统这个网络包已经到达了呢？
触发中断：每当网卡收到一个网络包，就触发一个中断告诉操作系统。
但是这样会出现一个问题，当操作系统频繁接收到网络包就会频繁的触发中断，影响操作系统的运行效率。
解决方法是采用 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。
NAPI 机制？
因此，当有网络包到达时，会通过 DMA 技术，将网络包写入到指定的内存地址，接着网卡向 CPU 发起硬件中断，当 CPU 收到硬件中断请求后，根据中断表，调用已经注册的中断处理函数。
硬件中断处理函数会做如下的事情：
- 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。
- 接着，发起「软中断」，然后恢复刚才屏蔽的中断。
至此，硬件中断处理函数的工作就已经完成。
软中断？
内核中的 ksoftirqd 线程专门负责软中断的处理，当 ksoftirqd 内核线程收到软中
断后，就会来轮询处理数据。
ksoftirqd 线程会从 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。
网络协议栈
首先，会先进入到网络接口层，在这一层会检查报文的合法性，如果不合法则丢弃，合法则会找出该网络包的上层协议的类型，比如是 IPv4，还是 IPv6，接着再去掉帧头和帧尾，然后交给网络层。
到了网络层，则取出 IP 包，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发出去。当确认这个网络包要发送给本机后，就会从 IP 头里看看上一层协议的类型是 TCP 还是 UDP，接着去掉 IP 头，然后交给传输层。
传输层取出 TCP 头或 UDP 头，根据四元组「源 IP、源端口、目的 IP、目的端口」 作为标识，找出对应的 Socket，并把数据放到 Socket 的接收缓冲区。
最后，应用层程序调用 Socket 接口，将内核的 Socket 接收缓冲区的数据「拷贝」到应用层的缓冲区，然后唤醒用户进程。
至此，一个网络包的接收过程就已经结束了，你也可以从下图左边部分看到网络包接收的流程，右边部分刚好反过来，它是网络包发送的流程。
发送网络数据的时候，涉及几次内存拷贝操作？
第一次，调用发送数据的系统调用的时候，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。
第二次，在使用 TCP 传输协议的情况下，从传输层进入网络层的时候，每一个 sk_buff 都会被克隆一个新的副本出来。副本 sk_buff 会被送往网络层，等它发送完的时候就会释放掉，然后原始的 sk_buff 还保留在传输层，目的是为了实现 TCP 的可靠传输，等收到这个数据包的 ACK 时，才会释放原始的 sk_buff 。
第三次，当 IP 层发现 sk_buff 大于 MTU 时才需要进行。会再申请额外的 sk_buff，并将原来的 sk_buff 拷贝为多个小的 sk_buff。