本文将对TCP/IP的数据收发做一个粗略总结~
1、TCP/IP基本特点
TCP/IP总的设计目的就是保证数据的快速有序的传输，且无丢失，基本特点如下：
- 面向连接：两端组成一个连接，每端以五元组为标识
- 双工字节流： 采用字节流进行双工数据通信
- 有序发送：利用序列号保证发送的有序性
- 可靠性：利用ACK保证数据的可靠性
- 流控：接收方利用接收窗口通告发送方
- 拥塞控制：接收方利用拥塞窗口通告发送方
2、报文发送过程
TCP/IP网络协议栈包含多个层次，下图以一个TCP连接中的报文发送过程简述其基本流程：
- 用户层创建数据，调用write系统调用发送数据。
- 一旦执行系统调用，系统则进入内核层。对于类Linux系统，通过文件描述符关联socket和应用，内核中socket包含收发两块buffer。
- 在系统调用执行数据将被拷贝至内核memory当中，然后添加至发送buffer尾部，即按序发送。
- 在TCP层，TCB(TCP Control Block) 关联socket，如果TCP允许数据发送，内核创建TCP segment。否则，由于规则或者流量控制会将该报文丢弃。至于TCP segment报文格式，无外乎一个header加payload，还有个checksum。TCP校验和往往由网卡进行计算。
- 继续在TCP segment上封装IP层，再算下IP校验和，就可以扔给网络层了，比如以太网层。
- 以太网层开始查找下一跳IP的MAC地址，一旦完成将继续封装Etherent头，最终送往driver层，这里往往也是各大抓包工具进行数据拷贝的地方，比如tcpdump/wirshark，或者是自己写的抓包工具；流量整形也往往在这一层完成。
- driver层在收到发送请求之后，通过DMA将该主存中的数据拷贝至内部RAM之中。在数据拷贝中，同时加入符合以太网协议的相关header，IFG、前导符和CRC。对于以太网网络，物理层发送采用CSMA/CD,即在发送过程中侦听链路冲突；而对于Wi-Fi网络，则采用CSMA/CA，其基本思想是要想占用channel并发言，首先做好聆听（也是做人哲学之一），对于需要ACK的报文，一旦在规定时间内搜不到ACK，则重传该报文。
- 一旦网卡完成报文发送，将产生中断通知CPU。
对于报文发送过程而言，上层协议栈是生产者，驱动层为消费者。
下面以无线网卡驱动为例详述整个报文发送流程的实现细节：
- 上层协议栈（三层及以上）和驱动层之间的数据传递采用队列，一个网络接口绑定一个三层报文发送队列。802.11 MAC层从网络接口的发送队列中拿到三层报文，添加LLC层和802.11 header，此时二层报文已经组好。
- 驱动层同样采用一个二层报文发送队列，可以将上一步组好的二层报文放入该队列。驱动的任务就是把二层报文送入无线网卡的硬件FIFO，最终转为射频信号发送。软硬件交互通过一个循环缓冲区完成，具体而言，首先主存中定义一个TX Ring，包括多个TFD（发送描述符），其中一个TFD可以由多个TB（发送缓冲区）组成，里面除了包含要发送的数据，还包含了发送相关的控制信息；数据在DRAM和硬件FIFO之间的搬迁由DMA完成，搬迁的数量通过TX Ring的两个指针完成，一个是写指针，由软件更新，告诉硬件我已经把这个位置的TFD准备好，你可以拿了，另一个是读指针，由硬件拿走数据后更新该指针，通过中断告诉软件我已经取走数据，你可以继续在该TFD上更新数据。
3、报文的接收过程
- 网卡对报文进行CRC检查，如果合法就写入主存（一般通过DMA完成）。一旦完成写入，网卡发送中断通知CPU。
- 驱动层对报文进行检查，在发送至上层协议栈之前，必须封装成OS相关的数据结构，比如Linux对应sk_buff，BSD对应mbuf。
- 以太网层同样对报文进行合法性检查，然后发送至网络层，交给不同的协议处理模块，对于IP报文交给IP层，而对于ARP报文则送至ARP模块。
- IP层继续检查报文合法性，判断其是进行IP路由还是本地处理。根据IP头的协议字段，上发至上层，比如6对应TCP层。
- TCP层同样检查TCP检验和，往往由网卡计算完成，而不是内核。
- 以TCP报文的五元组作为关键字进行连接查找，查看是否匹配该层的规则，如果符合，则加入接收缓冲区。
4、不是结束语
理解问题需从根上抓起，TCP/IP也一样，仍有许多细节需要在工作实践中反复体会。