网络协议学习之一：网络请求是如何发出

最近突然对网络协议有了兴趣，很想知道一个简单对网络请求是如何发送出去的。我们都知道，所谓发送数据，无非是把一串0/1比特发给接收方，拿最常见的场景来说，我们通常连接的wifi网络，计算机把一串0/1发给它，它是如何接收，如何识别该到那个地方截止是发送方的一个完整包呢？
这就要靠协议来支持了，所谓协议，就是大家共同约定好，共同遵守的一些规则而已。就好比国家与国家之间通常也会由很多协定，协议，备忘录之类的文件，其实也就约定了双方在处理问题时的一些默契。而回到计算机协议，由于在计算机的世界都是0和1，所以计算机的协议通常就是约定双方对这一串的0/1怎么处理，比如，哪几个0/1表示元数据，哪几个表示分界符，哪几个是真正的数据，等等。

宏观过程

图1. 协议栈图

上图表示了数据从用户产生到可以被发送出去到封装过程，也就是我们常看到到协议栈的流转过程。分层协议栈的好处自不必多说，就是分层管理，模块化的典型思想，每一层只处理特定的问题，并为上层提供服务。从图中可以看到，每一层往下，都会添加一个首部作为元数据，并作为整个数据部分递交给下层。各层添加的元数据各不相同，但基本目标都是方便管理本层的数据包。

具体过程

我们知道现在计算机出厂一般都自带网卡，网卡实现了MAC层协议，复制数据报文的收发。我们也知道，tcp/ip协议栈族是由操作系统实现的，并封装了接口作为系统调用供外部使用。
有了这两点认识，我们就可以顺畅的分析整个数据包的流转。应用层调用操作系统提供的接口将数据传入，经由系统内部处理后到达网卡(准确地说应该是到达网卡的缓存)，再由网卡驱动将数据封装成MAC帧后通过底层信道发送出去。
数据从应用层经系统内部处理的过程如下图所示：

图2. 数据发送在操作系统内部的流转

问题1：有人就问了，那连续的数据到达后，最后封装成MAC帧后其实都是一串连续的比特，接收方是如何识别哪是开头，哪是结尾呢？

先解释下协议栈图中的MAC层和物理层几个标示。FCS是帧检验序列，用于接收方校验所收到的帧是否有差错，一般用的是CRC校验方式。而物理层翻译成比特流后，前面插入的8个字节是用作同步与帧起始定界符(其中前7个字节是同步码，最后一个字节是表示帧定界符)，所谓同步码，是告诉接收方赶紧准备好接收数据，以免数据到达时接收方尚未准备好，白白浪费资源。

问题2：有人又问了，前面的起始定界符好理解，标示比特流中这里是帧的开头呗，那结尾咋办，一连串的比特过来，总得有个尾定界符告知接收方这里是帧的结尾吧。

其实这是个好问题，一般来说，在数据链路层封装成帧的方案中，很明显是要首尾定界符方能确定一个完整的帧。但是现在广泛使用的以太网MAC帧中却是没有定义结尾定界符的，这是因为它不需要，它有其他方式可以让接收方识别出结尾。窍门就在发送物理层比特流的时候，以太网采用的是曼彻斯特编码(不是联队,^_^)，这种编码的一个特点是每个0或1码元都有一次高低电平转换(而不经编码的话，传统的就是1是高电平，0是低电平，这导致碰到连续的0或1的时候，接收方收到的就是连续的高电平，或者连续的低电平，无法提取这里面到底有多少个1或0)，有了这种编码，那么接收方就可以确定在没有电平转换的时候，就是帧的结尾，哈哈，这么看这也是一种约定。

问题3：那还有人问了，要等到没有电平变化的时候才能确定结尾，那不是没发一个帧都要等待一会，那如果我要连续的发送咋办？

这也是个好问题，其实解决方案很简单，就是强制约定没发一个帧之间都要等待一个间隔，让接收方识别帧结尾，不允许连续的发送帧。当然这么强制也是有道理的，一个是避免了插入帧定界符，再一个是我们还要注意到以太网一般使用广播信道，其中使用的是CSMA/CD协议，也就是常说的载波监听/碰撞检测协议，这个协议说的其实是发送前先监听，边发送边监听，一旦检测到碰撞就立即停止发送。从这点看，如果一直连续的发送帧，那么就相当于连续的占用着共享信道，导致其他发送方因碰撞而无法发送，甚至被一直阻塞。所以，每发送一个帧，就留出点空隙，让其他发送方可以检测信道是否空闲，公平竞争信道资源，这样一举两得，何乐而不为呢。

问题4：就算前面的都没问题了，那网卡在发送比特流的时候，总不会一个一个比特的发送吧，那也太慢了。

其实这就是个串并行的问题，我们看现在的网线，都是8个引脚绞在一块，这可不是为了好看，事实上，计算机处理相关的东西都是以字节作为基本单位，因此8个引脚绞在一块，每次可以发送一个字节，既可以并行发送提高了速率，也方便了处理。至于无线网卡，虽没有拆开看过，但是原理应该是不变的，只是由发送电信号，转而发送电磁信号，所以应该也是8个比特一块发送，或者是更多倍数，如果路由器支持的话。

总结：看来这简单的发送请求的过程，其实背后还是隐藏着很多的东西，只是因为封装的好，我们不太感知。细细想起来每个过程都还是由很多值得关注的，所谓知其然也知其所以然。

备注：
1. 图二来源于文章https://www.kancloud.cn/digest/protocol/153401 ，在此谢过作者，也是看了其文章才把整个流程贯通起来。
2. 文章中很多知识点的解答都来源于谢希仁老师编著的<<计算机网络>>，虽说当时看的不怎么懂，但回过头来细翻，还是颇有收获。