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Linux网络栈

 
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OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层,每个层负责不同的功能。其中,

  • 应用层,负责为应用程序提供统一的接口。
  • 表示层,负责把数据转换成兼容接收系统的格式。
  • 会话层,负责维护计算机之间的通信连接。
  • 传输层,负责为数据加上传输表头,形成数据包。
  • 网络层,负责数据的路由和转发。
  • 数据链路层,负责MAC寻址、错误侦测和改错。
  • 物理层,负责在物理网络中传输数据帧。

TCP/IP 模型,把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层,其中,

  • 应用层,负责向用户提供一组应用程序,比如 HTTP、FTP、DNS 等。
  • 传输层,负责端到端的通信,比如 TCP、UDP 等。
  • 网络层,负责网络包的封装、寻址和路由,比如 IP、ICMP 等。
  • 网络接口层,负责网络包在物理网络中的传输,比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。

OSI 模型 与 TCP/IP 模型 的关系


 

Linux网络栈

有了 TCP/IP 模型后,在进行网络传输时,数据包就会按照协议栈,对上一层发来的数据进行逐层处理;然后封装上该层的协议头,再发送给下一层。

当然,网络包在每一层的处理逻辑,都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层,一个提供 REST API 的应用,可以使用 HTTP 协议,把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中,然后向下传递给 TCP 层。

 

而封装做的事情就很简单了,只是在原来的负载前后,增加固定格式的元数据,原始的负载数据并不会被修改。比如,以通过 TCP 协议通信的网络包为例,通过下面这张图,可以看到,应用程序数据在每个层的封装格式。


其中:

  • 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头;
  • 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头;
  • 而网络接口层,又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。

这些新增的头部和尾部,都按照特定的协议格式填充,这些新增的头部和尾部,增加了网络包的大小,但物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元(MTU),就规定了最大的 IP 包大小。在最常用的以太网中,MTU 默认值是 1500(这也是 Linux 的默认值)。

一旦网络包超过 MTU 的大小,就会在网络层分片,以保证分片后的 IP 包不大于MTU 值。显然,MTU 越大,需要的分包也就越少,网络吞吐能力就越好。

理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后,很容易能想到,Linux 内核中的网络栈,其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示,就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图:

从上到下来看这个网络栈,可以发现,

  • 最上层的应用程序,需要通过系统调用,来跟套接字接口进行交互;
  • 套接字的下面,就是前面提到的传输层、网络层和网络接口层;
  • 最底层,则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中,网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中,内核通过中断跟网卡进行交互。

再结合前面提到的 Linux 网络栈,可以看出,网络包的处理非常复杂。所以,网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送,而协议栈中的大部分逻辑,都会放到软中断中处理。 

 

Linux网络收发流程

了解了 Linux 网络栈后,再来看看, Linux 到底是怎么收发网络包的。

注意,以下内容都以物理网卡为例。事实上,Linux 还支持众多的虚拟网络设备,而它们的网络收发流程会有一些差别。

 

网络包的接收流程

先来看网络包的接收流程。

当一个网络帧到达网卡后,网卡会通过 DMA 方式,把这个网络包放到收包队列中;然后通过硬中断,告诉中断处理程序已经收到了网络包。
接着,网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构(sk_buff),并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中;然后再通过软中断,通知内核收到了新的网络帧。
接下来,内核协议栈从缓冲区中取出网络帧,并通过网络协议栈,从下到上逐层处理这个网络帧。比如,
  • 在链路层检查报文的合法性,找出上层协议的类型(比如 IPv4 还是 IPv6),再去掉帧头、帧尾,然后交给网络层。
  • 网络层取出 IP 头,判断网络包下一步的走向,比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后,就会取出上层协议的类型(比如 TCP 还是 UDP),去掉 IP 头,再交给传输层处理。
  • 传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后,根据 <源 IP、源端口、目的 IP、目的端口> 四元组作为标识,找出对应的 Socket,并把数据拷贝到Socket 的接收缓存中。
最后,应用程序就可以使用 Socket 接口,读取到新接收到的数据了。

为了更清晰表示这个流程,参考下图,这张图的左半部分表示接收流程,而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

网络包的发送流程

了解网络包的接收流程后,就很容易理解网络包的发送流程。网络包的发送流程就是上图的右半部分,很容易发现,网络包的发送方向,正好跟接收方向相反。

  1. 首先,应用程序调用 Socket API(比如 sendmsg)发送网络包。
  2. 由于这是一个系统调用,所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
  3. 接下来,网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中,取出数据包;再按照 TCP/IP 栈,从上到下逐层处理。比如,传输层和网络层,分别为其增加TCP 头和 IP 头,执行路由查找确认下一跳的 IP,并按照 MTU 大小进行分片。
  4. 分片后的网络包,再送到网络接口层,进行物理地址寻址,以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾,放到发包队列中。这一切完成后,会有软中断通知驱动程序:发包队列中有新的网络帧需要发送。
  5. 最后,驱动程序通过 DMA ,从发包队列中读出网络帧,并通过物理网卡把它发送出去。

Reference

https://time.geekbang.org/column/article/80898 (强烈推荐读者购买此专栏,都是干货价值一个亿
 
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