白话计算机网络通信过程

引述

由于年后一直忙着产品交付，每天忙的焦头烂额，要么解bug，要么补文档，导致没有时间和精力维护公众号。目前，产品交付已经告一段落，终于有时间喘口气更新文章了。



今年由于疫情原因，团队中陆续有同事离职和转岗，使得软件中的很多模块需要重新分配人员进行开发和维护。leader给我分配了一些新业务的开发和维护工作，同时也把以太网应用层协议栈的开发和维护工作交给了我。



本周与同事交接了协议栈的工作。我通过阅读协议源码和相关文档，同时又找了一些计算机网络的资料系统学习了几天，这篇文章将我学到的计算机网络的知识做个总结。

什么是网络通信

谈到网络通信，很多人第一反应都会想到TCP/IP协议族，七层网络模型等专业术语。本文也包含这些术语，但既然是白话计算机网络，我会尽可能形象的描述计算机网络通信的过程。



现如今，人们的生活离不开智能手机、电脑等硬件，也离不开微信/支付宝等软件。



其中，手机和电脑是进行网络通信的硬件载体，例如：网卡/射频天线/wifi模块等。微信和支付宝则是网络通信的软件载体，人们操纵软件进行的各种操作大多需要与后台服务器进行数据交互。



那客户端和服务器是如何进行数据的发送与接收呢？



接下来，我将白话解释一下数据的发送和接收流程，图片与文字描述结合看效果更好。



数据发送的流程

（1）用户在主机A中输入“123”，并点击“发送”按钮。该软件会根据开发人员定义的应用层协议将“123”进行打包，接着进入传输层。



（2）传输层会将应用层发来的数据放入paylaod中，标明该软件所占用的计算机端口号，经过传输层协议打包后的数据被称为data segment（数据段）。



你是否还记得socket编程时，有一个结构体的成员变量需要端口号吗？没错，就是它，端口号指明数据来源于哪个软件。



（Note：一台计算机能够同时运行多个软件，当计算机从网络中收到新数据时，计算机能够根据传输层协议中的端口号判断该数据属于哪个软件）。



（3）数据段打包后进入网络层，该层的主要目的是添加源IP地址和目标IP地址，这是为了表明数据的起始地址和目的地址。经过网络层协议打包的数据被称为data packet(数据包)。



（4）接着进入数据链路层，该层的作用就是将IP数据包前面加上MAC地址，组成data frame（数据帧），并整个数据帧添加开始头和结束头。



（5）数据帧会被网卡以数据流的方式发往网络中



此外，由于数据在网线中以模拟信号的方式传输，因此在彻底发出去时会利用modem(猫)将数字信号调制成模拟信号。



如果你学习过C语言，你可以把网络协议当作结构体。以下面定义的结构体为例，当完成appLayer_protocol定义的变量的赋值后，把该变量放入transLayer_protocol的payload中就算传输层协议打包完成了。



按照下面定义的结构体一层层的赋值，等效于数据被一次次的被不同协议打包。

struct appLayer_protocol
{
    uint16 serviceID;
    uint8 handleID;
    void* payload;
};

struct transLayer_protocol
{
    uint16 portNum;
    void *payload;
};

struct netLayer_protocol
{
    char  addr[32];
    void *payLoad;
};

struct dataLinkLayer_protocol
{
    char mac_addr[32];
    uint32 start_flag;
    uint32 stop_flag;
    void *payload;
};




数据接收流程

数据接收的流程与发送相反，即主机从网络中获取到数据后，一层层的从协议中将数据解析出来，向上逐层传递。



（1）当计算机从以太网接收到数据时，modem(猫)会首先对模拟信号进行解调，将其转化为数字信号。



（2）数据链路层会识别数据流的开始头和结束头，并解析数据帧，将其中包含的数据包传给网络层。



（3）网络层判断数据包中的目的IP地址，判断该数据包是否发给自己。如果目的IP地址与自身IP不一致，则丢弃。反之，将数据解析并向上传递给传输层。



（4）传输层识别出数据中的端口号，并找出该端口号对应的软件，之后将解析出的数据传给该软件，该软件中的应用层协议将会对该数据进行解析和处理。



至此，数据的一次发送和接收流程完美结束。说白了，网络世界的数据传输全部依靠网络协议，而这些网络协议均是国际标准，因此计算机才能够彼此发送和接收数据。

总结

本篇文章主要是在讲计算机之间的TCP/IP通信，而这也是如今网络世界应用的最为广泛的网络协议。



现如今，很多程序员在工作中主要负责业务开发，很少涉及网络协议的相关知识，如有需要直接调用封装好的API即可。因此，他们对于网络协议并不熟悉，但计算机网络作为程序员的基础知识还是有必要掌握的，它能帮助我们程序员更好的理解自己在做什么。



此外，网络通信的过程大致相似，如果你正在学习其他通信协议，例如CAN协议，也可以参考本文，会对你有所帮助的。