计算机网络（4）

计算机网络（4）

基础篇

Linux系统收发网络

1. 网络模型
   国际标准化组织规定了开放式系统通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），该模型主要有七层：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。
   由于OSI模型太复杂，提出的只是概念理论上的分层，没有提供具体的实现方案。
   实际应用的是四层模型，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。

2. Linux网络协议栈
   应用程序通过系统调用来跟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

3. Linux接受网络包流程
   网卡专门负责接受和发送网络包，当网卡接收到一个网络包后，通过DMA技术，将网络包写入指定内存地址（Ring Buffer），这是一个环形缓冲区，接着就会告诉操作系统这个网络包已经到达。

怎么告诉操作系统网络包到达了呢？
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。但是这样的话，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，而cpu收到这些中断就会停下手里的事情，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，会导致cpu一直没完没了的处理中断，影响系统的整体效率。
解决方案：引入NAPI机制，混合中断和轮询的方式来接受网络包，它的核心就是不采用中断的方式读取数据，而是采用中断唤醒数据接受的服务程序，然后通过poll方法来轮询数据。
因此，当有网络包达到时，通过DMA技术，将网络包写入到指定的内存，接着网卡向CPU发起硬件中断，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：

• 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入内存，不要再通知cpu，避免cpu不停的被中断，提高效率。
• 接着，发起软中断，然后回复刚才屏蔽的中断。
  软中断由软中断处理函数处理，硬件中断处理函数做的工作很少，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，就会轮询处理数据：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

注意：到了网络层，取出 IP 包后，需要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，确认这个网络包发送给本机后，就会从IP头里查看上一层协议类型是TCP还是UDP，接着去掉IP头，然后交给传输层。

4. Linux 发送网路包的流程
   如上图右半部分，首先应用程序调用 Socket 发送数据包的接口（系统调用，进入内核态中的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。

注意：

• 用TCP传输协议发送数据，会先拷贝一个新的 sk_buff 副本。因为 sk_buff 最后到达网卡完成发送时，sk_buff 会被释放掉。但是TCP协议是支持丢失重传的，在收到对方的ACK之前，这个sk_buff 不能删除。所以实际上传递出去的是 sk_buff 的一个拷贝，等到 ACK 再真正删除。

• sk_buff 可以表示各个层的数据包：在应用层叫data，在TCP层称为segment，IP层叫packet，数据链路层称为 frame。也就是说全部数据包只用一个结构体来描述，是为了上下层之间传递数据时避免多次拷贝，降低CPU效率。

• 怎么实现全部数据包只用一个结构体？通过指针，例如：

  • 收到报文时，从网卡驱动开始，通过协议栈层层往上传送数据包，通过增加 skb -> data 的值，来逐步剥离协议首部。
  • 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。

• 当数据发送完成以后，工作还没有结束，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 和 RingBuffer 内存。最后，当这个TCP报文的ACK应答时，传输层会释放原始的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时，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，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都会复制一份副本，实际发送的是副本，原始的sk_buff会保留到收到这个数据包的ACK，为了实现TCP可靠传输
第三次，当IP层发现sk_buff大于MTU时才会进行。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。