Linux 是如何收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包的？

作者：小林coding

大家好，我是小林。

之前寫過一篇：你不好奇 Linux 是如何收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包的？ 文章。

當(dāng)時(shí)有些地方寫的比較籠統(tǒng)，然后我「把 Linux 接收+發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的流程」這部分內(nèi)容完善了下，現(xiàn)在重新分享給大家。

發(fā)車發(fā)車！

網(wǎng)絡(luò)模型

為了使得多種設(shè)備能通過網(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)中的兼容性問題。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（Open 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，并沒有提供具體的實(shí)現(xiàn)方案。

事實(shí)上，我們比較常見，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，我們常說的七層和四層負(fù)載均衡，是用 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型來描述的，七層對(duì)應(yīng)的是應(yīng)用層，四層對(duì)應(yīng)的是傳輸層。

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，這個(gè)過程就好像我們把 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；

這些新增的頭部和尾部，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 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 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，需要的分包就越少，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)用程序需要通過系統(tǒng)調(diào)用，來跟 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；

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 DMA 技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)包寫入到指定的內(nèi)存地址，也就是寫入到 Ring Buffer ，這個(gè)是一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)，接著就會(huì)告訴操作系統(tǒng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包已經(jīng)到達(dá)。

那應(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 一直沒完沒了的處理中斷，而導(dǎo)致其他任務(wù)可能無法繼續(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的性能開銷，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 的方法來輪詢數(shù)據(jù)。

因此，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)包到達(dá)時(shí)，會(huì)通過 DMA 技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)包寫入到指定的內(nèi)存地址，接著網(wǎng)卡向 CPU 發(fā)起硬件中斷，當(dāng) CPU 收到硬件中斷請(qǐng)求后，根據(jù)中斷表，調(diào)用已經(jīng)注冊(cè)的中斷處理函數(shù)。

硬件中斷處理函數(shù)會(huì)做如下的事情：

• 需要先「暫時(shí)屏蔽中斷」，表示已經(jīng)知道內(nèi)存中有數(shù)據(jù)了，告訴網(wǎng)卡下次再收到數(shù)據(jù)包直接寫內(nèi)存就可以了，不要再通知 CPU 了，這樣可以提高效率，避免 CPU 不停的被中斷。接著，發(fā)起「軟中斷」，然后恢復(fù)剛才屏蔽的中斷。

至此，硬件中斷處理函數(shù)的工作就已經(jīng)完成。

硬件中斷處理函數(shù)做的事情很少，主要耗時(shí)的工作都交給軟中斷處理函數(shù)了。

軟中斷的處理

內(nèi)核中的 ksoftirqd 線程專門負(fù)責(zé)軟中斷的處理，當(dāng) ksoftirqd 內(nèi)核線程收到軟中斷后，就會(huì)來輪詢處理數(shù)據(jù)。

ksoftirqd 線程會(huì)從 Ring Buffer 中獲取一個(gè)數(shù)據(jù)幀，用 sk_buff 表示，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。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

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)放到 Socket 的接收緩沖區(qū)。

最后，應(yīng)用層程序調(diào)用 Socket 接口，將內(nèi)核的 Socket 接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)「拷貝」到應(yīng)用層的緩沖區(qū)，然后喚醒用戶進(jìn)程。

至此，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的接收過程就已經(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，右邊部分剛好反過來，它是網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送的流程。

Linux 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的流程

如上圖的右半部分，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，內(nèi)核會(huì)申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)核態(tài)的 sk_buff 內(nèi)存，將用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)拷貝到 sk_buff 內(nèi)存，并將其加入到發(fā)送緩沖區(qū)。

接下來，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧從 Socket 發(fā)送緩沖區(qū)中取出 sk_buff，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)，那么先拷貝一個(gè)新的 sk_buff 副本 ，這是因?yàn)?sk_buff 后續(xù)在調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層，最后到達(dá)網(wǎng)卡發(fā)送完成的時(shí)候，這個(gè) sk_buff 會(huì)被釋放掉。而 TCP 協(xié)議是支持丟失重傳的，在收到對(duì)方的 ACK 之前，這個(gè) sk_buff 不能被刪除。所以內(nèi)核的做法就是每次調(diào)用網(wǎng)卡發(fā)送的時(shí)候，實(shí)際上傳遞出去的是 sk_buff 的一個(gè)拷貝，等收到 ACK 再真正刪除。

接著，對(duì) sk_buff 填充 TCP 頭。這里提一下，sk_buff 可以表示各個(gè)層的數(shù)據(jù)包，在應(yīng)用層數(shù)據(jù)包叫 data，在 TCP 層我們稱為 segment，在 IP 層我們叫 packet，在數(shù)據(jù)鏈路層稱為 frame。

你可能會(huì)好奇，為什么全部數(shù)據(jù)包只用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來描述呢？協(xié)議棧采用的是分層結(jié)構(gòu)，上層向下層傳遞數(shù)據(jù)時(shí)需要增加包頭，下層向上層數(shù)據(jù)時(shí)又需要去掉包頭，如果每一層都用一個(gè)結(jié)構(gòu)體，那在層之間傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)候，就要發(fā)生多次拷貝，這將大大降低 CPU 效率。

于是，為了在層級(jí)之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，不發(fā)生拷貝，只用 sk_buff 一個(gè)結(jié)構(gòu)體來描述所有的網(wǎng)絡(luò)包，那它是如何做到的呢？是通過調(diào)整 sk_buff 中 data 的指針，比如：

• 當(dāng)接收?qǐng)?bào)文時(shí)，從網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)開始，通過協(xié)議棧層層往上傳送數(shù)據(jù)報(bào)，通過增加 skb->data 的值，來逐步剝離協(xié)議首部。當(dāng)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，創(chuàng)建 sk_buff 結(jié)構(gòu)體，數(shù)據(jù)緩存區(qū)的頭部預(yù)留足夠的空間，用來填充各層首部，在經(jīng)過各下層協(xié)議時(shí)，通過減少 skb->data 的值來增加協(xié)議首部。

你可以從下面這張圖看到，當(dāng)發(fā)送報(bào)文時(shí)，data 指針的移動(dòng)過程。

至此，傳輸層的工作也就都完成了。

然后交給網(wǎng)絡(luò)層，在網(wǎng)絡(luò)層里會(huì)做這些工作：選取路由（確認(rèn)下一跳的 IP）、填充 IP 頭、netfilter 過濾、對(duì)超過 MTU 大小的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片。處理完這些工作后會(huì)交給網(wǎng)絡(luò)接口層處理。

網(wǎng)絡(luò)接口層會(huì)通過 ARP 協(xié)議獲得下一跳的 MAC 地址，然后對(duì) sk_buff 填充幀頭和幀尾，接著將 sk_buff 放到網(wǎng)卡的發(fā)送隊(duì)列中。

這一些工作準(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，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)從發(fā)送隊(duì)列中讀取 sk_buff，將這個(gè) sk_buff 掛到 RingBuffer 中，接著將 sk_buff 數(shù)據(jù)映射到網(wǎng)卡可訪問的內(nèi)存 DMA 區(qū)域，最后觸發(fā)真實(shí)的發(fā)送。

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成以后，其實(shí)工作并沒有結(jié)束，因?yàn)閮?nèi)存還沒有清理。當(dāng)發(fā)送完成的時(shí)候，網(wǎng)卡設(shè)備會(huì)觸發(fā)一個(gè)硬中斷來釋放內(nèi)存，主要是釋放 sk_buff 內(nèi)存和清理  RingBuffer 內(nèi)存。

最后，當(dāng)收到這個(gè) TCP 報(bào)文的 ACK 應(yīng)答時(shí)，傳輸層就會(huì)釋放原始的 sk_buff 。

發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時(shí)候，涉及幾次內(nèi)存拷貝操作？

第一次，調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)核態(tài)的 sk_buff 內(nèi)存，將用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)拷貝到 sk_buff 內(nèi)存，并將其加入到發(fā)送緩沖區(qū)。

第二次，在使用 TCP 傳輸協(xié)議的情況下，從傳輸層進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層的時(shí)候，每一個(gè) sk_buff 都會(huì)被克隆一個(gè)新的副本出來。副本 sk_buff 會(huì)被送往網(wǎng)絡(luò)層，等它發(fā)送完的時(shí)候就會(huì)釋放掉，然后原始的 sk_buff 還保留在傳輸層，目的是為了實(shí)現(xiàn) TCP 的可靠傳輸，等收到這個(gè)數(shù)據(jù)包的 ACK 時(shí)，才會(huì)釋放原始的 sk_buff 。

第三次，當(dāng) IP 層發(fā)現(xiàn) sk_buff 大于 MTU 時(shí)才需要進(jìn)行。會(huì)再申請(qǐng)額外的 sk_buff，并將原來的 sk_buff 拷貝為多個(gè)小的 sk_buff。

總結(jié)

電腦與電腦之間通常都是通過話網(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 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。