「Linux」- 网络栈

  CREATED BY JENKINSBOT

网络模型

OSI

开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model),简称为 OSI 网络模型

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

但是 OSI 模型还是太复杂了,也没能提供一个可实现的方法。所以,在 Linux 中,我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型,即 TCP/IP 网络模型。

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:
1)应用层,负责向用户提供一组应用程序,比如 HTTP、FTP、DNS 等。
2)传输层,负责端到端的通信,比如 TCP、UDP 等。
3)网络层,负责网络包的封装、寻址和路由,比如 IP、ICMP 等。
4)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。

但在平时的学习交流中,我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如,说到七层和四层负载均衡,对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层

Linux 网络栈

数据包的发送过程(概览)

在进行网络传输时,数据包就会按照协议栈:
1)对上层发来的数据,根据网络协议而封装该层的协议头(即增加固定格式的元数据),但不会修改原始数据;
2)再发送给下一层;

MTU

新增的元数据(比如头部和尾部),会增加网络包的大小。由于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),就规定最大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中,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,自然,网络吞吐能力就越好

在 Linux Kernel 中的网络栈

应用程序 => 系统调用 => 套接字接口 => 传输层/网络层/接口层 => 网卡驱动程序/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,在网络收发过程中,内核通过中断跟网卡进行交互。

网络包的接收流程 与 网络包的发送流程

网络包的发送流程

1)应用程序 => Socket API(系统调用,陷入到内核态的套接字层),套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区
2)网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出数据包,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。
3)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。
4)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)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

网络包的接收流程

1)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。
2)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
3)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

A)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。

B)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。

C)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

4)应用程序就可以使用 Socket 接口,读取到新接收到的数据

DMA

1)内核分配一个主内存地址段(DMA缓冲区),网卡设备可以在DMA缓冲区中读写数据
2)当来了一个网络包,网卡将网络包写入DMA缓冲区,写完后通知CPU产生硬中断
3)硬中断处理程序锁定当前DMA缓冲区,然后将网络包拷贝到另一块内存区,清空并解锁当前DMA缓冲区,然后通知软中断去处理网络包。

当发送数据包时,与上述相反。链路层将数据包封装完毕后,放入网卡的DMA缓冲区,并调用系统硬中断,通知网卡从缓冲区读取并发送数据。

参考文献

33 | 关于 Linux 网络,你必须知道这些(上)