Linux系統(tǒng)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的工作過(guò)程

來(lái)源：碼農(nóng)猿星球

Linux 服務(wù)器收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，需要經(jīng)過(guò)哪些處理，一步步將數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用進(jìn)程的呢？應(yīng)用進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，Linux 又是如何操作將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去的呢？今天我們就來(lái)聊聊這個(gè)話題。

在準(zhǔn)備好接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之前，Linux需要做很多準(zhǔn)備工作，例如：網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的初始化、協(xié)議棧的注冊(cè)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的初始化、啟動(dòng)網(wǎng)卡等等,只有這些都準(zhǔn)備好了之后，才能真正開(kāi)始接收網(wǎng)絡(luò)包。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

在介紹Linux收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之前，我們先來(lái)了解一下Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

國(guó)際標(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（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。

由于 OSI 模型太復(fù)雜，提出的只是存在于概念和理論上的一種模型，分層太多，增加了網(wǎng)絡(luò)工作的復(fù)雜性，所以沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。 我們比較常見(jiàn)是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：

1、應(yīng)用層?對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的高層，為用戶提供所需要的各種服務(wù)，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等.

2、傳輸層?對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的傳輸層，為應(yīng)用層實(shí)體提供端到端的通信功能，保證了數(shù)據(jù)包的順序傳送及數(shù)據(jù)的完整性。該層定義了兩個(gè)主要的協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP).

3、網(wǎng)絡(luò)層?對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，主要解決主機(jī)到主機(jī)的通信問(wèn)題。它所包含的協(xié)議設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的邏輯傳輸。注重重新賦予主機(jī)一個(gè)IP地址來(lái)完成對(duì)主機(jī)的尋址，它還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包在多種網(wǎng)絡(luò)中的路由。該層有三個(gè)主要協(xié)議：網(wǎng)際協(xié)議（IP）、互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）和互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）。

4、網(wǎng)絡(luò)接口層?與OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相對(duì)應(yīng)。它負(fù)責(zé)監(jiān)視數(shù)據(jù)在主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間的交換。事實(shí)上，TCP/IP本身并未定義該層的協(xié)議，而由參與互連的各網(wǎng)絡(luò)使用自己的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，然后與TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接入層進(jìn)行連接。地址解析協(xié)議（ARP）工作在此層，即OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層。

接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)卡后，按照FIFO順序被存入網(wǎng)卡的接收隊(duì)列，網(wǎng)卡通過(guò) DMA 技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)包寫入到指定的內(nèi)存地址（Ring Buffer）。

Ring Buffer是在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建和初始化的，存儲(chǔ)的是sk_buff緩沖區(qū)的描述符（物理地址和大小等）。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包到達(dá)時(shí)，從Ring Buffer獲取指向的sk_buff描述符，通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)寫入該地址。等sk_buff中的數(shù)據(jù)交由上層協(xié)議棧處理后，Ring Buffer中的描述更新為新分配的sk_buff。

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)中斷注冊(cè)表，找到注冊(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：

1、屏蔽網(wǎng)卡的中斷

目的是避免CPU被頻繁中斷而無(wú)法處理其他任務(wù)，屏蔽中斷是告訴網(wǎng)卡已經(jīng)知道內(nèi)存中有數(shù)據(jù)了，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。

2、發(fā)起軟中斷，恢復(fù)剛才屏蔽的中斷

內(nèi)核中的 ksoftirqd 線程收到軟中斷后，就會(huì)調(diào)用相應(yīng)軟中斷的處理函數(shù)來(lái)輪詢處理數(shù)據(jù)，即：從Ring Buffer 中獲取一個(gè)數(shù)據(jù)幀，用 sk_buff 表示，作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包交給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧從下到上進(jìn)行逐層處理。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧對(duì)網(wǎng)絡(luò)包的處理流程如下：

1、網(wǎng)絡(luò)接口層

首先，網(wǎng)絡(luò)接口層檢查報(bào)文的合法性和正確性，如果不合法或報(bào)文校驗(yàn)不正確則丟棄，否則找出上層協(xié)議的類型（IPv4還是IPv6），去掉幀頭、幀尾，然后交給上層即網(wǎng)絡(luò)層處理。

2、網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層取出IP頭，判斷網(wǎng)絡(luò)包下一步的走向，是轉(zhuǎn)發(fā)還是交給上層。當(dāng)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)包是要發(fā)送給本機(jī)后，就取出上層協(xié)議的類型（比如TCP或UDP），去掉IP頭，然后交給傳輸層處理。

3、傳輸層

傳輸層取出 TCP 頭或者 UDP 頭后，根據(jù)四元組【 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 】，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)。

4、應(yīng)用層

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)。

到這里，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的接收過(guò)程就結(jié)束了。

發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包

我們了解了網(wǎng)絡(luò)包的接收流程后，就很容易理解網(wǎng)絡(luò)包的發(fā)送流程了。網(wǎng)絡(luò)包的發(fā)送方向，正好跟接收方向相反。

首先，應(yīng)用程序調(diào)用 Socket 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的接口。這是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)的套接字層中。

套接字層會(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Socket發(fā)送緩沖區(qū)等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理。

由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從應(yīng)用程序傳到內(nèi)核時(shí)是原始數(shù)據(jù)，協(xié)議棧要在原始數(shù)據(jù)中加入通信約定才能保證數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)端能被正確識(shí)別。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，然后按照 TCP/IP 棧的分層（傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層），從上到下逐層進(jìn)行處理，各層將協(xié)議的頭信息不斷插入到數(shù)據(jù)包中。

協(xié)議棧對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)包的處理流程如下：

1、傳輸層

在傳輸層，會(huì)為器添加TCP頭，同時(shí)拷貝一個(gè)新的 sk_buff 副本 ，這是因?yàn)?sk_buff 在到達(dá)網(wǎng)卡發(fā)送完成的時(shí)候，會(huì)被釋放掉，而TCP 協(xié)議是支持重傳的，為確保網(wǎng)絡(luò)包可靠傳輸，在收到對(duì)方的 ACK 之前，這個(gè) sk_buff 不能被刪除。

2、網(wǎng)絡(luò)層

在網(wǎng)絡(luò)層，主要會(huì)做這些工作：選取路由（確認(rèn)下一跳的 IP）、填充 IP 頭、netfilter 過(guò)濾、對(duì)超過(guò) 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。

3、網(wǎng)絡(luò)接口層

網(wǎng)絡(luò)接口層會(huì)進(jìn)行物理地址尋址，以找到下一跳的 MAC 地址，填充幀頭和幀尾，將其放到發(fā)送隊(duì)列中。然后觸發(fā)軟中斷告訴網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序：隊(duì)列中有新的網(wǎng)絡(luò)包需要發(fā)送。驅(qū)動(dòng)程序收到通知會(huì)通過(guò) DMA ，從發(fā)送包隊(duì)列中讀出網(wǎng)絡(luò)幀，并通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)卡的FIFO發(fā)送隊(duì)列。

4、網(wǎng)卡設(shè)備

網(wǎng)卡設(shè)備從FIFO發(fā)送隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包，將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)；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(lái)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。

至此，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包的發(fā)送流程就結(jié)束了。