第1章 网络模型与数据流转

学习目标

  • 理解OSI七层与TCP/IP四层模型的关系
  • 掌握数据封装与解封装过程
  • 了解关键网络指标（MTU、MSS）
  • 能够使用工具观察网络数据流转

🔬 原理

OSI七层与TCP/IP四层模型

OSI七层模型：

应用层    (Application)    - HTTP、DNS、SSH
表示层    (Presentation)  - 加密、压缩
会话层    (Session)       - 会话管理
传输层    (Transport)     - TCP、UDP
网络层    (Network)       - IP、ICMP
数据链路层 (Data Link)    - 以太网、ARP
物理层    (Physical)      - 电信号、光信号

TCP/IP四层模型：

应用层    - 用户数据
传输层    - 端到端通信
网络层    - 路由寻址
链路层    - 物理传输

对应关系：

  • 应用层（HTTP/DNS/SSH）→ 用户数据
  • 传输层（TCP/UDP）→ 端到端通信
  • 网络层（IP/ICMP）→ 路由寻址
  • 链路层（以太网/ARP）→ 物理传输

数据封装过程

应用数据 → TCP段 → IP包 → 以太网帧 → 物理信号

详细过程：

  1. 应用层：用户数据（如HTTP请求）
  2. 传输层：添加TCP头（源端口、目标端口、序列号等）
  3. 网络层：添加IP头（源IP、目标IP、TTL等）
  4. 链路层：添加以太网头（源MAC、目标MAC、类型）
  5. 物理层：转换为电信号传输

关键指标

MTU（Maximum Transmission Unit）：

  • 链路层最大帧大小
  • 以太网默认：1500字节
  • 影响：超过MTU需要分片

MSS（Maximum Segment Size）：

  • TCP层最大段大小
  • 计算公式：MSS = MTU - IP头(20) - TCP头(20) = 1460
  • 影响：TCP传输效率

️ 实现

Linux网络栈层次

// 内核网络栈关键结构
struct sk_buff {
    struct net_device *dev;        // 网络设备
    unsigned char *head;           // 数据缓冲区起始
    unsigned char *data;           // 当前数据指针
    unsigned int len;              // 数据长度
    __u16 protocol;                // 协议类型
    // ... 更多字段
};

数据流转路径

网卡 → DMA → Ring Buffer → 硬中断 → 软中断(NAPI) 
→ GRO → 协议栈 → Socket缓冲区 → 应用

🛠️ 命令

基础网络命令

# 查看网络接口
ip link show

# 查看IP地址
ip addr show

# 查看路由表
ip route show

# 测试连通性
ping -c 3 1.1.1.1

# 路由追踪
traceroute 8.8.8.8

网络统计信息

# 查看网络统计
cat /proc/net/dev

# 查看协议统计
cat /proc/net/snmp

# 查看连接统计
ss -s

代码

简单网络客户端

// simple_client.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

int main() {
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock < 0) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    
    struct sockaddr_in addr = {
        .sin_family = AF_INET,
        .sin_port = htons(80),
        .sin_addr.s_addr = inet_addr("8.8.8.8")
    };
    
    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
        perror("connect");
        close(sock);
        return 1;
    }
    
    printf("Connected to 8.8.8.8:80\n");
    close(sock);
    return 0;
}

编译运行：

gcc simple_client.c -o simple_client
./simple_client

🧪 实验

实验1：观察数据封装

目标：通过抓包观察ICMP数据封装过程

步骤：

# 1. 启动抓包（一个终端）
sudo tcpdump -i any -nn icmp

# 2. 发送ping（另一个终端）
ping -c 3 8.8.8.8

# 3. 观察输出
# 应该看到类似：
# IP 192.168.1.10 > 8.8.8.8: ICMP echo request
# IP 8.8.8.8 > 192.168.1.10: ICMP echo reply

预期结果：

  • 看到ICMP Echo Request和Reply
  • 观察到IP层封装（源IP、目标IP）
  • 理解ping的工作原理

实验2：MTU与分片测试

目标：理解MTU对数据传输的影响

步骤：

# 1. 查看当前MTU
ip link show eth0

# 2. 测试不同大小的包
ping -M do -s 1472 8.8.8.8  # 成功（1500-28=1472）
ping -M do -s 1473 8.8.8.8  # 失败（超过MTU）

# 3. 修改MTU观察影响
sudo ip link set dev eth0 mtu 1400
ping -M do -s 1372 8.8.8.8  # 新的最大包大小

预期结果：

  • 理解MTU限制
  • 观察分片行为
  • 学会MTU调优

实验3：协议栈层次观察

目标：使用tcpdump观察不同协议层

步骤：

# 1. 抓取HTTP流量
sudo tcpdump -i any -nn 'port 80' -A

# 2. 发送HTTP请求
curl -v http://httpbin.org/get

# 3. 观察各层信息
# 以太网层：源MAC、目标MAC
# IP层：源IP、目标IP、TTL
# TCP层：源端口、目标端口、序列号
# HTTP层：请求方法、URL、头部

预期结果：

  • 理解分层封装
  • 学会协议分析
  • 掌握抓包技巧

排错

常见问题排查

问题1：无法ping通外网

# 检查链路
ip link show

# 检查IP配置
ip addr show

# 检查路由
ip route show

# 检查DNS
nslookup 8.8.8.8

问题2：MTU问题导致连接异常

# 检查MTU
ip link show | grep mtu

# 测试路径MTU
tracepath 8.8.8.8

# 调整MTU
sudo ip link set dev eth0 mtu 1400

问题3：网络延迟高

# 测试延迟
ping -c 10 8.8.8.8

# 路由追踪
traceroute 8.8.8.8

# 检查网络统计
cat /proc/net/snmp | grep -i tcp

排错清单

  • [ ] 检查物理连接（网线、网卡状态）
  • [ ] 验证IP配置（IP地址、子网掩码、网关）
  • [ ] 确认路由表（默认路由、静态路由）
  • [ ] 测试DNS解析（nslookup、dig）
  • [ ] 检查防火墙规则（iptables、ufw）
  • [ ] 验证MTU设置（避免分片问题）
  • [ ] 查看系统日志（dmesg、/var/log/syslog）