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# 2.3 Linux 系统是如何收发网络包的？

这次，就围绕一个问题来说。

Linux 系统是如何收发网络包的？

# 网络模型

为了使得多种设备能通过网络相互通信，和为了解决各种不同设备在网络互联中的兼容性问题，国际标准化组织制定了开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），也就是 OSI 网络模型，该模型主要有 7 层，分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层。

每一层负责的职能都不同，如下：

  • 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；

由于 OSI 模型实在太复杂，提出的也只是概念理论上的分层，并没有提供具体的实现方案。

事实上，我们比较常见，也比较实用的是四层模型，即 TCP/IP 网络模型，Linux 系统正是按照这套网络模型来实现网络协议栈的。

TCP/IP 网络模型共有 4 层，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层，每一层负责的职能如下：

  • 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、DNS、FTP 等;
  • 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等；
  • 网络层，负责网络包的封装、分片、路由、转发，比如 IP、ICMP 等；
  • 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如网络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测，以及通过网卡传输网络帧等；

TCP/IP 网络模型相比 OSI 网络模型简化了不少，也更加易记，它们之间的关系如下图：

不过，我们常说的七层和四层负载均衡，是用 OSI 网络模型来描述的，七层对应的是应用层，四层对应的是传输层。

# Linux 网络协议栈

我们可以把自己的身体比作应用层中的数据，打底衣服比作传输层中的 TCP 头，外套比作网络层中 IP 头，帽子和鞋子分别比作网络接口层的帧头和帧尾。

在冬天这个季节，当我们要从家里出去玩的时候，自然要先穿个打底衣服，再套上保暖外套，最后穿上帽子和鞋子才出门，这个过程就好像我们把 TCP 协议通信的网络包发出去的时候，会把应用层的数据按照网络协议栈层层封装和处理。

你从下面这张图可以看到，应用层数据在每一层的封装格式。

其中：

  • 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；

这些新增的头部和尾部，都有各自的作用，也都是按照特定的协议格式填充，这每一层都增加了各自的协议头，那自然网络包的大小就增大了，但物理链路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，相反的，如果 MTU 越大，需要的分包就越少，那么网络吞吐能力就越好。

知道了 TCP/IP 网络模型，以及网络包的封装原理后，那么 Linux 网络协议栈的样子，你想必猜到了大概，它其实就类似于 TCP/IP 的四层结构：

从上图的的网络协议栈，你可以看到：

  • 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；

# 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。

那应该怎么告诉操作系统这个网络包已经到达了呢？

最简单的一种方式就是触发中断，也就是每当网卡收到一个网络包，就触发一个中断告诉操作系统。

但是，这存在一个问题，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，要知道当 CPU 收到了中断，就会停下手里的事情，而去处理这些网络包，处理完毕后，才会回去继续其他事情，那么频繁地触发中断，则会导致 CPU 一直没完没了的处理中断，而导致其他任务可能无法继续前进，从而影响系统的整体效率。

所以为了解决频繁中断带来的性能开销，Linux 内核在 2.6 版本中引入了 NAPI 机制，它是混合「中断和轮询」的方式来接收网络包，它的核心概念就是不采用中断的方式读取数据，而是首先采用中断唤醒数据接收的服务程序，然后 poll 的方法来轮询数据。

因此，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。

硬件中断处理函数会做如下的事情：

  • 需要先「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。

至此，硬件中断处理函数的工作就已经完成。

硬件中断处理函数做的事情很少，主要耗时的工作都交给软中断处理函数了。

软中断的处理

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。

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

首先，会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。

到了网络层，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。

最后，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。

至此，一个网络包的接收过程就已经结束了，你也可以从下图左边部分看到网络包接收的流程，右边部分刚好反过来，它是网络包发送的流程。

# Linux 发送网络包的流程

如上图的右半部分，发送网络包的流程正好和接收流程相反。

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 ，这是因为 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。这里提一下，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。

你可能会好奇，为什么全部数据包只用一个结构体来描述呢？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。

于是，为了在层级之间传递数据时，不发生拷贝，只用 sk_buff 一个结构体来描述所有的网络包，那它是如何做到的呢？是通过调整 sk_buff 中 data 的指针，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。

你可以从下面这张图看到，当发送报文时，data 指针的移动过程。

至此，传输层的工作也就都完成了。

然后交给网络层，在网络层里会做这些工作：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。

当数据发送完成以后，其实工作并没有结束，因为内存还没有清理。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 。

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。

# 总结

电脑与电脑之间通常都是通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，那由于网络设备的异构性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型由于比较复杂，实际应用中并没有采用，而是采用了更为简化的 TCP/IP 模型，Linux 网络协议栈就是按照了该模型来实现的。

TCP/IP 模型主要分为应用层、传输层、网络层、网络接口层四层，每一层负责的职责都不同，这也是 Linux 网络协议栈主要构成部分。

当应用程序通过 Socket 接口发送数据包，数据包会被网络协议栈从上到下进行逐层处理后，才会被送到网卡队列中，随后由网卡将网络包发送出去。

而在接收网络包时，同样也要先经过网络协议栈从下到上的逐层处理，最后才会被送到应用程序。

参考资料：

  • Linux 网络包发送过程：https://mp.weixin.qq.com/s/wThfD9th9e_-YGHJJ3HXNQ
  • Linux 网络数据接收流程（TCP）- NAPI：https://wenfh2020.com/2021/12/29/kernel-tcp-receive/
  • Linux网络-数据包接收过程：https://blog.csdn.net/frank_jb/article/details/115841622

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上次更新: 9/7/2022

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