你不好奇 Linux 是如何收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包的？

前言

這次，就圍繞一個(gè)問(wèn)題來(lái)說(shuō)。

Linux 系統(tǒng)是如何收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包的？

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正文

網(wǎng)絡(luò)模型

為了使得多種設(shè)備能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互通信，和為了解決各種不同設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的兼容性問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（pen System Interconnection Reference Model），也就是 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型，該模型主要有 7 層，分別是應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層。

每一層負(fù)責(zé)的職能都不同，如下：

應(yīng)用層，負(fù)責(zé)給應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口；

表示層，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兼容另一個(gè)系統(tǒng)能識(shí)別的格式；

會(huì)話層，負(fù)責(zé)建立、管理和終止表示層實(shí)體之間的通信會(huì)話；

傳輸層，負(fù)責(zé)端到端的數(shù)據(jù)傳輸；

網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)、分片；

數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的封幀和差錯(cuò)檢測(cè)，以及 MAC 尋址；

物理層，負(fù)責(zé)在物理網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)幀；

由于 OSI 模型實(shí)在太復(fù)雜，提出的也只是概念理論上的分層，并沒(méi)有提供具體的實(shí)現(xiàn)方案。事實(shí)上，我們比較常見(jiàn)，也比較實(shí)用的是四層模型，即 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型，Linux 系統(tǒng)正是按照這套網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的。

TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型共有 4 層，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層，每一層負(fù)責(zé)的職能如下：

應(yīng)用層，負(fù)責(zé)向用戶提供一組應(yīng)用程序，比如 HTTP、DNS、FTP 等;

傳輸層，負(fù)責(zé)端到端的通信，比如 TCP、UDP 等；

網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)包的封裝、分片、路由、轉(zhuǎn)發(fā)，比如 IP、ICMP 等；

網(wǎng)絡(luò)接口層，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)包在物理網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，比如網(wǎng)絡(luò)包的封幀、 MAC 尋址、差錯(cuò)檢測(cè)，以及通過(guò)網(wǎng)卡傳輸網(wǎng)絡(luò)幀等；

TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型相比 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型簡(jiǎn)化了不少，也更加易記，它們之間的關(guān)系如下圖：

不過(guò)，我們常說(shuō)的七層和四層負(fù)載均衡，是用 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)描述的，七層對(duì)應(yīng)的是應(yīng)用層，四層對(duì)應(yīng)的是傳輸層。

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Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

我們可以把自己的身體比作應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)，打底衣服比作傳輸層中的 TCP 頭，外套比作網(wǎng)絡(luò)層中 IP 頭，帽子和鞋子分別比作網(wǎng)絡(luò)接口層的幀頭和幀尾。

在冬天這個(gè)季節(jié)，當(dāng)我們要從家里出去玩的時(shí)候，自然要先穿個(gè)打底衣服，再套上保暖外套，最后穿上帽子和鞋子才出門(mén)，這個(gè)過(guò)程就好像我們把 TCP 協(xié)議通信的網(wǎng)絡(luò)包發(fā)出去的時(shí)候，會(huì)把應(yīng)用層的數(shù)據(jù)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧層層封裝和處理。

你從下面這張圖可以看到，應(yīng)用層數(shù)據(jù)在每一層的封裝格式。

其中：

傳輸層，給應(yīng)用數(shù)據(jù)前面增加了 TCP ?頭；

網(wǎng)絡(luò)層，給 TCP 數(shù)據(jù)包前面增加了 IP ?頭；

網(wǎng)絡(luò)接口層，給 IP 數(shù)據(jù)包前后分別增加了幀頭和幀尾；

這些新增和頭部和尾部，都有各自的作用，也都是按照特定的協(xié)議格式填充，這每一層都增加了各自的協(xié)議頭，那自然網(wǎng)絡(luò)包的大小就增大了，但物理鏈路并不能傳輸任意大小的數(shù)據(jù)包，所以在以太網(wǎng)中，規(guī)定了最大傳輸單元（MTU）是 1500 字節(jié)，也就是規(guī)定了單次傳輸?shù)淖畲?IP 包大小。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包超過(guò) MTU 的大小，就會(huì)在網(wǎng)絡(luò)層分片，以確保分片后的 IP 包不會(huì)超過(guò) MTU 大小，如果 MTU 越小，需要的分包就越多，那么網(wǎng)絡(luò)吞吐能力就越差，相反的，如果 MTU 越大，需要的分包就越小，那么網(wǎng)絡(luò)吞吐能力就越好。

知道了 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型，以及網(wǎng)絡(luò)包的封裝原理后，那么 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的樣子，你想必猜到了大概，它其實(shí)就類(lèi)似于 TCP/IP 的四層結(jié)構(gòu)：

從上圖的的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，你可以看到：

應(yīng)用程序需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，來(lái)跟 Socket 層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

Socket 層的下面就是傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層；

最下面的一層，則是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和硬件網(wǎng)卡設(shè)備；

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Linux 接收網(wǎng)絡(luò)包的流程

網(wǎng)卡是計(jì)算機(jī)里的一個(gè)硬件，專門(mén)負(fù)責(zé)接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包，當(dāng)網(wǎng)卡接收到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包后，會(huì)通過(guò) DMA 技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)包放入到 Ring Buffer，這個(gè)是一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)。

那接收到網(wǎng)絡(luò)包后，應(yīng)該怎么告訴操作系統(tǒng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包已經(jīng)到達(dá)了呢？

最簡(jiǎn)單的一種方式就是觸發(fā)中斷，也就是每當(dāng)網(wǎng)卡收到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包，就觸發(fā)一個(gè)中斷告訴操作系統(tǒng)。

但是，這存在一個(gè)問(wèn)題，在高性能網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)包的數(shù)量會(huì)非常多，那么就會(huì)觸發(fā)非常多的中斷，要知道當(dāng) CPU ?收到了中斷，就會(huì)停下手里的事情，而去處理這些網(wǎng)絡(luò)包，處理完畢后，才會(huì)回去繼續(xù)其他事情，那么頻繁地觸發(fā)中斷，則會(huì)導(dǎo)致 CPU 一直沒(méi)玩沒(méi)了的處理中斷，而導(dǎo)致其他任務(wù)可能無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)，從而影響系統(tǒng)的整體效率。

所以為了解決頻繁中斷帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)，Linux 內(nèi)核在 2.6 版本中引入了 NAPI 機(jī)制，它是混合「中斷和輪詢」的方式來(lái)接收網(wǎng)絡(luò)包，它的核心概念就是不采用中斷的方式讀取數(shù)據(jù)，而是首先采用中斷喚醒數(shù)據(jù)接收的服務(wù)程序，然后 poll 的方法來(lái)輪詢數(shù)據(jù)。

比如，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)包到達(dá)時(shí)，網(wǎng)卡發(fā)起硬件中斷，于是會(huì)執(zhí)行網(wǎng)卡硬件中斷處理函數(shù)，中斷處理函數(shù)處理完需要「暫時(shí)屏蔽中斷」，然后喚醒「軟中斷」來(lái)輪詢處理數(shù)據(jù)，直到?jīng)]有新數(shù)據(jù)時(shí)才恢復(fù)中斷，這樣一次中斷處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)包，于是就可以降低網(wǎng)卡中斷帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)。

那軟中斷是怎么處理網(wǎng)絡(luò)包的呢？它會(huì)從 Ring Buffer 中拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核 struct sk_buff 緩沖區(qū)中，從而可以作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包交給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行逐層處理。

首先，會(huì)先進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)接口層，在這一層會(huì)檢查報(bào)文的合法性，如果不合法則丟棄，合法則會(huì)找出該網(wǎng)絡(luò)包的上層協(xié)議的類(lèi)型，比如是 IPv4，還是 IPv6，接著再去掉幀頭和幀尾，然后交給網(wǎng)絡(luò)層。

到了網(wǎng)絡(luò)層，則取出 IP 包，判斷網(wǎng)絡(luò)包下一步的走向，比如是交給上層處理還是轉(zhuǎn)發(fā)出去。當(dāng)確認(rèn)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包要發(fā)送給本機(jī)后，就會(huì)從 IP 頭里看看上一層協(xié)議的類(lèi)型是 TCP 還是 UDP，接著去掉 IP 頭，然后交給傳輸層。

傳輸層取出 TCP 頭或 UDP 頭，根據(jù)四元組「源 IP、源端口、目的 IP、目的端口」 作為標(biāo)識(shí)，找出對(duì)應(yīng)的 Socket，并把數(shù)據(jù)拷貝到 Socket 的接收緩沖區(qū)。

最后，應(yīng)用層程序調(diào)用 Socket 接口，從內(nèi)核的 Socket 接收緩沖區(qū)讀取新到來(lái)的數(shù)據(jù)到應(yīng)用層。

至此，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的接收過(guò)程就已經(jīng)結(jié)束了，你也可以從下圖左邊部分看到網(wǎng)絡(luò)包接收的流程，右邊部分剛好反過(guò)來(lái)，它是網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送的流程。

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Linux 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的流程

如上圖的有半部分，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的流程正好和接收流程相反。

首先，應(yīng)用程序會(huì)調(diào)用 Socket 發(fā)送數(shù)據(jù)包的接口，由于這個(gè)是系統(tǒng)調(diào)用，所以會(huì)從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)中的 Socket 層，Socket 層會(huì)將應(yīng)用層數(shù)據(jù)拷貝到 Socket 發(fā)送緩沖區(qū)中。

接下來(lái)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧從 Socket 發(fā)送緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)包，并按照 TCP/IP 協(xié)議棧從上到下逐層處理。

如果使用的是 TCP 傳輸協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，那么會(huì)在傳輸層增加 TCP 包頭，然后交給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)給數(shù)據(jù)包增加 IP 包，然后通過(guò)查詢路由表確認(rèn)下一跳的 IP，并按照 MTU 大小進(jìn)行分片。

分片后的網(wǎng)絡(luò)包，就會(huì)被送到網(wǎng)絡(luò)接口層，在這里會(huì)通過(guò) ARP 協(xié)議獲得下一跳的 MAC 地址，然后增加幀頭和幀尾，放到發(fā)包隊(duì)列中。

這一些準(zhǔn)備好后，會(huì)觸發(fā)軟中斷告訴網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，這里有新的網(wǎng)絡(luò)包需要發(fā)送，最后驅(qū)動(dòng)程序通過(guò) DMA，從發(fā)包隊(duì)列中讀取網(wǎng)絡(luò)包，將其放入到硬件網(wǎng)卡的隊(duì)列中，隨后物理網(wǎng)卡再將它發(fā)送出去。

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總結(jié)

電腦與電腦之間通常都是通話網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到一起，那由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的異構(gòu)性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義了一個(gè)七層的 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型，但是這個(gè)模型由于比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有采用，而是采用了更為簡(jiǎn)化的 TCP/IP 模型，Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧就是按照了該模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

TCP/IP 模型主要分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層四層，每一層負(fù)責(zé)的職責(zé)都不同，這也是 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧主要構(gòu)成部分。

當(dāng)應(yīng)用程序通過(guò) Socket 接口發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包會(huì)被網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧從上到下進(jìn)行逐層處理后，才會(huì)被送到網(wǎng)卡隊(duì)列中，隨后由網(wǎng)卡將網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送出去。

而在接收網(wǎng)絡(luò)包時(shí)，同樣也要先經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧從下到上的逐層處理，最后才會(huì)被送到應(yīng)用程序。