计算机网络⑩ —— Linux系统如何收发网络包

• 转载于小林coding：https://www.xiaolincoding.com/network/1_base/how_os_deal_network_package.html

1. OSI七层模型

• 应用层，负责给应用程序提供统一的接口；
• 表示层，负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式；
• 会话层，负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话；
• 传输层，负责端到端的数据传输；
• 网络层，负责数据的路由、转发、分片；
• 数据链路层，负责数据的封帧和差错检测，以及 MAC 寻址；
• 物理层，负责在物理网络中传输数据帧；- 应用层，负责给应用程序提供统一的接口；

2. 数据传输过程

• 传输层，给应用数据前面增加了 TCP 头；
• 网络层，给 TCP 数据包前面增加了 IP 头；
• 网络接口层，给 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾；
• 数据链路层中并不能传输任意大小的数据包，所以在以太网中，规定了最大传输单元（MTU）是 1500 字节，也就是规定了单次传输的最大 IP 包大小
  • 当网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以确保分片后的 IP 包不会超过 MTU 大小
  • 如果 MTU 越小，需要的分包就越多，那么网络吞吐能力就越差
  • 如果 MTU 越大，需要的分包就越少，那么网络吞吐能力就越好

3. Linux 网络协议栈

• 应用程序需要通过系统调用，来跟 Socket 层进行数据交互；
• Socket 层的下面就是传输层、网络层和网络接口层；
• 最下面的一层，则是网卡驱动程序和硬件网卡设备；

4. Linux 接收网络包的流程

• 网卡是计算机里的一个硬件，专门负责接收和发送网络包，当网卡接收到一个网络包后，会通过 DMA 技术，将网络包写入到指定的内存地址，也就是写入到 Ring Buffer ，这个是一个环形缓冲区，接着就会告诉操作系统这个网络包已经到达。
• 告知操作系统网络包已到达的方式：
  • 触发中断：每当网卡收到一个网络包，就触发一个中断告诉操作系统
    • 问题：在高性能网络场景下，网络包的数量会非常多，那么就会触发非常多的中断，CPU收到中断后会先去处理这件事，因此会影响系统的整体性能
  • NAPI机制：混合「中断和轮询」的方式来接收网络包，当有网络包到达时，会通过 DMA 技术，将网络包写入到指定的内存地址，接着网卡向 CPU 发起硬件中断，当 CPU 收到硬件中断请求后，根据中断表，调用已经注册的中断处理函数。
    • 中断处理函数：
      • 先「暂时屏蔽中断」，表示已经知道内存中有数据了，告诉网卡下次再收到数据包直接写内存就可以了，不要再通知 CPU 了，这样可以提高效率，避免 CPU 不停的被中断。
      • 接着，发起「软中断」，然后恢复刚才屏蔽的中断。
    • 软中断：内核中的 ksoftirqd 线程专门负责软中断的处理，当 ksoftirqd 内核线程收到软中断后，就会来轮询处理数据（采用poll方法）。
      • ksoftirqd 线程会从 Ring Buffer 中获取一个数据帧，用 sk_buff 表示，从而可以作为一个网络包交给网络协议栈进行逐层处理。
    • 网络协议栈：
      • 先进入到网络接口层，在这一层会检查报文的合法性，如果不合法则丢弃，合法则会找出该网络包的上层协议的类型，比如是 IPv4，还是 IPv6，接着再去掉帧头和帧尾，然后交给网络层。
      • 网络层，则取出 IP 包，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发出去。当确认这个网络包要发送给本机后，就会从 IP 头里看看上一层协议的类型是 TCP 还是 UDP，接着去掉 IP 头，然后交给传输层。
      • 传输层取出 TCP 头或 UDP 头，根据四元组「源 IP、源端口、目的 IP、目的端口」 作为标识，找出对应的 Socket，并把数据放到 Socket 的接收缓冲区。
      • 应用层程序调用 Socket 接口，将内核的 Socket 接收缓冲区的数据「拷贝」到应用层的缓冲区，然后唤醒用户进程。

5. Linux 发送网络包的流程

• 首先，应用程序会调用 Socket 发送数据包的接口，由于这个是系统调用，所以会从用户态陷入到内核态中的 Socket 层，内核会申请一个内核态的 sk_buff 内存，将用户待发送的数据拷贝到 sk_buff 内存，并将其加入到发送缓冲区。
• 接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出 sk_buff，并按照 TCP/IP 协议栈从上到下逐层处理。
  • 如果使用的是 TCP 传输协议发送数据，那么先拷贝一个新的 sk_buff 副本，因为 sk_buff 后续在调用网络层，最后到达网卡发送完成的时候，这个 sk_buff 会被释放掉。而 TCP 协议是支持丢失重传的，在收到对方的 ACK 之前，这个 sk_buff 不能被删除。所以内核的做法就是每次调用网卡发送的时候，实际上传递出去的是 sk_buff 的一个拷贝，等收到 ACK 再真正删除。
  • 接着，对 sk_buff 填充 TCP 头。sk_buff 可以表示各个层的数据包，在应用层数据包叫 data，在 TCP 层我们称为 segment，在 IP 层我们叫 packet，在数据链路层称为 frame。
    • 全部数据包只用一个结构体来描述是因为：协议栈采用的是分层结构，上层向下层传递数据时需要增加包头，下层向上层数据时又需要去掉包头，如果每一层都用一个结构体，那在层之间传递数据的时候，就要发生多次拷贝，这将大大降低 CPU 效率。
    • 只用 sk_buff 一个结构体来描述所有的网络包不会发生拷贝，通过调整 sk_buff 中 data 的指针来实现，比如：
      • 当接收报文时，从网卡驱动开始，通过协议栈层层往上传送数据报，通过增加 skb->data 的值，来逐步剥离协议首部。
      • • 当要发送报文时，创建 sk_buff 结构体，数据缓存区的头部预留足够的空间，用来填充各层首部，在经过各下层协议时，通过减少 skb->data 的值来增加协议首部。

• 到达网络层的主要工作：选取路由（确认下一跳的 IP）、填充 IP 头、netfilter 过滤、对超过 MTU 大小的数据包进行分片。处理完这些工作后会交给网络接口层处理。

  • 网络接口层会通过 ARP 协议获得下一跳的 MAC 地址，然后对 sk_buff 填充帧头和帧尾，接着将 sk_buff 放到网卡的发送队列中。
  • 这一些工作准备好后，会触发「软中断」告诉网卡驱动程序，这里有新的网络包需要发送，驱动程序会从发送队列中读取 sk_buff，将这个 sk_buff 挂到 RingBuffer 中，接着将 sk_buff 数据映射到网卡可访问的内存 DMA 区域，最后触发真实的发送。
  • 当发送完成的时候，网卡设备会触发一个硬中断来释放内存，主要是释放 sk_buff 内存和清理 RingBuffer 内存。
  • 最后，当收到这个 TCP 报文的 ACK 应答时，传输层就会释放原始的 sk_buff 。

• 问题：发送网络数据的时候，涉及几次内存拷贝操作？

  • 第一次，调用发送数据的系统调用的时候，内核会申请一个内核态的 sk_buff 内存，将用户待发送的数据拷贝到 sk_buff 内存，并将其加入到发送缓冲区。
  • 第二次，在使用 TCP 传输协议的情况下，从传输层进入网络层的时候，每一个 sk_buff 都会被克隆一个新的副本出来。副本 sk_buff 会被送往网络层，等它发送完的时候就会释放掉，然后原始的 sk_buff 还保留在传输层，目的是为了实现 TCP 的可靠传输，等收到这个数据包的 ACK 时，才会释放原始的 sk_buff 。
  • 第三次，当 IP 层发现 sk_buff 大于 MTU 时才需要进行。会再申请额外的 sk_buff，并将原来的 sk_buff 拷贝为多个小的 sk_buff。