前言这一次，我要重点说一个问题。Linux系统如何收发网络包？文本网络模型为了使多个设备能够通过网络相互通信，解决网络互连中各种设备的兼容性问题，国际标准化组织制定了开放系统互连通信参考模型（openSystemInterconnectionReferenceModel)，即OSI网络模型，主要有7层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。每一层负责不同的功能，具体如下：应用层，负责为应用提供统一的接口；表示层，负责将数据转换成与另一个系统兼容的格式；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，负责数据路由、转发、分片；数据链路层，负责数据帧封装、错误检测、MAC寻址；物理层负责在物理网络中传输数据帧；由于OSI模型过于复杂，仅提出了概念层次，并没有给出具体的实施方案。其实我们比较普遍也比较实用的是四层模型，也就是TCP/IP网络模型。Linux系统就是按照这种网络模型来实现网络协议栈的。TCP/IP网络模型有4层，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层。各层的功能如下：应用层负责为用户提供一套应用程序，如HTTP、DNS、FTP等；传输层，负责端到端的通信，如TCP、UDP等；网络层，负责网络数据包的封装、分片、路由、转发，如IP、ICMP等；网络接口层，负责网络数据包在物理网络中的传输，如网络数据包的封框、MAC寻址、错误检测、网络帧通过网卡的传输等；TCP/IP网络模型比OSI网络模型更简单、更容易记住。它们之间的关系如下图所示：但是，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。七层对应应用层，四层对应传输层。Linux网络协议栈我们可以把自己的身体比作应用层的数据，底层的衣服比作传输层的TCP头，外套比作网络层的IP头，帽子和鞋子比作网络中的框架接口层头和帧尾。冬天的时候，我们在家要出门游玩，自然要先穿上打底衣，再穿上保暖外套，最后戴上帽子和鞋子再出门。当数据包发送出去时，应用层数据会根据网络协议栈逐层封装处理。从下图可以看出，应用层数据在每一层的封装格式。其中：传输层在应用数据的前面加上一个TCP头；网络层在TCP数据包的前面加上IP头；网络接口层在IP数据包的前后添加帧头和帧尾；每一层都有自己的协议头，增加了自然网络包的大小，但是物理链路不能传输任何大小的数据包，所以在以太网中，最大传输单元（MTU）规定为1500字节，即,指定了单个传输的最大IP数据包大小。当网络包超过MTU的大小时，会在网络层进行分片，保证分片后的IP包不会超过MTU的大小。MTU越小，需要的子包越多，网络吞吐量越差，反之，如果MTU越大，需要的子包越小，网络吞吐量就越好。了解了TCP/IP网络模型和网络数据包的封装原理之后，你一定猜到了Linux网络协议栈的模样。它实际上类似于TCP/IP的四层结构：从上图Stack中的网络协议可以看出：应用程序需要通过系统调用与Socket层交换数据；Socket层下面是传输层、网络层和网络接口层；底层是网卡驱动和硬件网卡设备；Linux中接收网络包的过程网卡是计算机中的一块硬件，负责接收和发送网络包。当网卡收到一个网络包时，会通过DMA技术将网络包放入RingBuffer中。这是内核内存中NIC驱动程序中的环形缓冲区。操作系统收到网络包后，应该如何告诉操作系统网络包已经到达？最简单的方法是触发中断，即每当网卡收到网络包时，触发中断告诉操作系统。但是，有一个问题。在高性能网络场景下，网络包的数量会非常多，会触发很多中断。要知道，当CPU接收到中断时，它会停止正在做的事情并进行处理。这些网络包处理完之后，又会回去继续其他事情，所以频繁触发中断会导致CPU继续处理中断，其他任务可能无法继续，从而影响系统的整体效率。因此，为了解决频繁中断带来的性能开销，Linux内核在2.6版本引入了NAPI机制。它是一种混合的“中断和轮询”方法来接收网络数据包。它的核心理念是不间断地阅读。数据，而是先使用中断唤醒服务程序进行数据接收，然后使用poll方法轮询数据。例如，当一个网络数据包到达时，网卡发起一个硬件中断，然后执行网卡的硬件中断处理函数。中断处理函数处理完后，需要“暂时屏蔽中断”，然后唤醒“软中断”轮询处理数据，直到没有新的为止。只有在数据中断时才恢复中断，这样可以一次处理多个网络数据包，从而减少网卡中断带来的性能开销。软中断是如何处理网络数据包的？它会将RingBuffer中的数据复制到内核structsk_buffbuffer中，这样就可以将其作为网络包交给网络协议栈进行逐层处理。首先，它会先进入网络接口层。在这一层，它将检查消息的合法性。如果不合法，它将被丢弃。如果合法，它会找出网络数据包的上层协议类型，如IPv4或IPv6，然后去除帧头和帧尾，然后交给网络层。在网络层，取出IP包，判断网络包的下一步，比如是交给上层处理还是转发。当确认网络包要发往本机时，会从IP头中检查上层的协议类型是TCP还是UDP，然后去掉IP头，再交给本机传输层。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”为标识，找出对应的Socket，复制数据到接收缓冲区插座。最后应用层程序调用Socket接口从内核的Socket接收缓冲区中读取新传入的数据给应用层。至此，一个网络包的接收过程结束。从下图左侧也可以看到接收网络包的过程。右边部分正好相反，是发送网络包的过程。Linux中发送网络包的过程是上图的一半，发送网络包的过程正好与接收过程相反。首先，应用程序会调用Socket接口发送数据包。由于这是一个系统调用，在内核态会从用户态落到Socket层，Socket层会将应用层数据复制到Socket发送缓冲区。接下来，网络协议栈从Socket发送缓冲区中取出数据包，按照TCP/IP协议栈从上到下逐层处理。如果使用TCP传输协议发送数据，会在传输层加上TCP头，然后交给网络层。网络层会在数据包中添加一个IP包，然后通过查询路由表，根据MTUShard大小确定下一跳的IP。分片后的网络数据包会被送到网络接口层，通过ARP协议获取下一跳的MAC地址，然后添加帧头和帧尾，放入发包队列。这些准备好后，会触发一个软中断，告诉网卡驱动有新的网络包要发送。最后，驱动程序通过DMA从发包队列中读取网络数据包，放入硬件网卡的队列中。然后物理网卡将其发送出去。综上所述，计算机通常与网卡、交换机、路由器等网络设备相连。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，但是这个模型比较复杂，在实际应用中并没有使用，而是采用了更加简化的TCP/IP模型，Linux网络协议栈就是按照这个模型实现的。TCP/IP模型主要分为四层：应用层、传输层、网络层和网络接口层。每一层负责不同的职责，这也是Linux网络协议栈的主要组成部分。当应用程序通过Socket接口发送数据包时，数据包会被网络协议栈从上到下逐层处理，然后发送到网卡队列，然后网卡将网络包发送出去.当接收到一个网络数据包时，也必须在网络协议栈中从底部到顶部逐层处理，然后再发送给应用程序。
