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在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，傳輸層協(xié)議是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵。Linux作為開(kāi)源的操作系統(tǒng)，其底層網(wǎng)絡(luò)處理的流程被廣泛使用于大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。本文將對(duì)Linux網(wǎng)絡(luò)處理流程進(jìn)行全面剖析，深入解析Linux傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理和網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化方式。
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一、Linux網(wǎng)絡(luò)處理流程
在Linux操作系統(tǒng)中，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在接入系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)了如下若干步驟的處理流程。
1.硬件層接收
接收數(shù)據(jù)包，Linux的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)硬件控制接收數(shù)據(jù)，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包送到內(nèi)核空間中。
2.數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議處理
接著，內(nèi)核會(huì)按照套接字類型和IPv4/IPv6協(xié)議類型進(jìn)行鏈路層頭和數(shù)據(jù)報(bào)頭的解析。檢查當(dāng)前的協(xié)議類型，確定TCP、UDP等4層協(xié)議的類型。
3.路由查找
針對(duì)Linux系統(tǒng)中路由表的查找，為了找到一個(gè)可以發(fā)送給對(duì)端的下一跳IP。內(nèi)核通過(guò)路由表中的規(guī)則，設(shè)置路由緩存項(xiàng)，并根據(jù)緩存項(xiàng)中的信息，查找更佳的路由規(guī)則。
4.發(fā)送隊(duì)列
接下來(lái)，內(nèi)核會(huì)先將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包放置到發(fā)送隊(duì)列中，等待后續(xù)操作進(jìn)行TCP分段及IP分片的處理操作。
5.協(xié)議處理
根據(jù)套接字的類型和協(xié)議類型，確定4層協(xié)議中的處理方式，在這個(gè)過(guò)程中需要進(jìn)行QoS等一系列的協(xié)議處理。
6.數(shù)據(jù)索引
內(nèi)核根據(jù)不同的協(xié)議，將不同的數(shù)據(jù)報(bào)放入對(duì)應(yīng)的索引表中，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)操作。
7.發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)
內(nèi)核將經(jīng)過(guò)協(xié)議和數(shù)據(jù)索引處理的數(shù)據(jù)報(bào)從發(fā)送隊(duì)列中取出，使用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵渑c網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并在硬件層面發(fā)送出去。
二、Linux傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)
在傳輸層協(xié)議中，TCP和UDP協(xié)議是最常用的兩種協(xié)議。Linux系統(tǒng)中的TCP實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如下：
1.底層實(shí)現(xiàn)
Linux內(nèi)核在TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)中采用了一種稱為“slow start”的流量控制技術(shù)，同時(shí)還支持立即啟用快速重傳和快速恢復(fù)技術(shù)，保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院透咝浴?/p>
2.內(nèi)存管理
TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)中使用了一種叫做“Slab”的內(nèi)存管理技術(shù)，將多個(gè)同類型對(duì)象分配在同一個(gè)頁(yè)面中，在對(duì)象數(shù)量增長(zhǎng)時(shí)，可避免內(nèi)存碎片和浪費(fèi)。同時(shí)，Linux內(nèi)核還支持隊(duì)列控制和緩存分配策略，實(shí)現(xiàn)TCP傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。
3.消息隊(duì)列
Linux內(nèi)核使用一種稱為“Sk_buff”的結(jié)構(gòu)，將收到的TCP數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)段存儲(chǔ)在消息隊(duì)列中，在滿足接收條件后可以將其送回用戶空間。
4.狀態(tài)機(jī)
Linux TCP協(xié)議中的狀態(tài)機(jī)通過(guò)使用“syn cookie”技術(shù)可避免拒絕服務(wù)攻擊。同時(shí)也支持流媒體、HTTP、FTP等各種協(xié)議類型的處理方式。
三、Linux網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化
Linux系統(tǒng)作為性能杰出的操作系統(tǒng)，為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，需要從下列幾個(gè)方面入手：
1.系統(tǒng)內(nèi)存管理
優(yōu)化內(nèi)存布局、采用高效的緩存機(jī)制、提高頁(yè)面轉(zhuǎn)換速度、合理使用hugepage等技術(shù)能顯著提高系統(tǒng)性能和吞吐量。
2.隊(duì)列長(zhǎng)度
Linux系統(tǒng)維護(hù)的內(nèi)核隊(duì)列長(zhǎng)度影響了系統(tǒng)吞吐量，優(yōu)化此處可以提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能。
3.中斷處理
針對(duì)高速率下的中斷處理，需要采用減少處理量，采用中斷共享策略，采用中斷推遲等策略。
4.路由表
Linux系統(tǒng)中路由表更新也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，為了保證路由表的正確性和穩(wěn)定性，需要采用優(yōu)化方法。
結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)以上深度解析，我們了解了Linux網(wǎng)絡(luò)處理流程全面剖析。Linux底層處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要從硬件接收，協(xié)議處理，路由查找，發(fā)送隊(duì)列，協(xié)議處理，數(shù)據(jù)索引，最后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)等多方面入手，通過(guò)詳細(xì)的介紹，我們可以運(yùn)用Linux系統(tǒng)優(yōu)化方法提高數(shù)據(jù)傳輸速度和性能，達(dá)到更好的用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)過(guò)程中，緩沖區(qū)位置在哪里？
網(wǎng)絡(luò)收發(fā)過(guò)程中，緩沖區(qū)位置在哪里？
在 關(guān)于 Linux 網(wǎng)絡(luò)，你必須要知道這些 中，我曾介紹過(guò) Linux 網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)流程。這個(gè)流程涉及到了多個(gè)隊(duì)列和緩沖區(qū)，包括：
不過(guò)相應(yīng)的，就會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題。
首先，這些緩沖區(qū)的位置在哪兒？是在網(wǎng)卡硬件中，還是在內(nèi)存中？這個(gè)問(wèn)題其實(shí)仔細(xì)想一下，就很容易明白——這些緩沖區(qū)都處于內(nèi)核管理的內(nèi)存中。
其中，環(huán)形緩沖區(qū)，由于需要 DMA 與網(wǎng)卡交互，理應(yīng)屬于網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)的范圍。
sk_buff 緩沖區(qū)，是一個(gè)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)的雙向鏈表，鏈表中的每一個(gè)元素都是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀（Packet）。雖然 TCP/IP 協(xié)議棧分了好幾層，但上下不同層之間的傳遞，實(shí)際上只需要操作這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的指針，而無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制。
套接字緩沖區(qū)，則允許應(yīng)用程序，給每個(gè)套接字配置不同大小的接收或發(fā)送緩沖區(qū)。應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)際上就是將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)；而接收數(shù)據(jù)，其實(shí)就是從緩沖區(qū)中讀取。至于緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，則由傳輸層的 TCP 或 UDP 協(xié)議來(lái)完成。
其次，這些緩沖區(qū)，跟前面內(nèi)存部分講到的 Buffer 和 Cache 有什么關(guān)聯(lián)嗎？
這個(gè)問(wèn)題其實(shí)也不難回答。我在內(nèi)存模塊曾提到過(guò)，內(nèi)存中提到的 Buffer ，都跟塊設(shè)備直接相關(guān)；而其他的都是 Cache。
實(shí)際上，sk_buff、套接字緩沖、連接跟蹤等，都通過(guò) slab 分配器來(lái)管理。你可以直接通過(guò) /proc/slabinfo，來(lái)查看它們占用的內(nèi)存大小。
第二個(gè)問(wèn)題，內(nèi)核協(xié)議棧的運(yùn)行，是按照一個(gè)內(nèi)核線程的方式嗎？在內(nèi)核中，又是如何執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的呢？
說(shuō)到網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，在中斷處理文章中我曾講過(guò)，其中的軟中斷處理，就有專門的內(nèi)核線程 ksoftirqd。每個(gè) CPU 都會(huì)綁定一個(gè) ksoftirqd 內(nèi)核線程，比如， 2 個(gè) CPU 時(shí)，就會(huì)有 ksoftirqd/0 和 ksoftirqd/1 這兩個(gè)內(nèi)核線程。
不過(guò)要注意，并非所有網(wǎng)絡(luò)功能，都在軟中斷內(nèi)核線程中處理。內(nèi)核中還有很多其他機(jī)制（比如硬中斷、kworker、slab 等），這些機(jī)制一起協(xié)同工作，才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的正常運(yùn)行。
我們知道，無(wú)論 TCP 還是 UDP，端口號(hào)都只占 16 位，也就說(shuō)其更大值也只有 65535。那是不是說(shuō)，如果使用 TCP 協(xié)議，在單臺(tái)機(jī)器、單個(gè) IP 地址時(shí)，并發(fā)連接數(shù)更大也只有呢？
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，首凱蘆早先你要知道，Linux 協(xié)議棧，通過(guò)五元組來(lái)標(biāo)志一個(gè)連接（即協(xié)議，源 IP、源端口、目的 IP、目的端口)。
明白了這一點(diǎn)，這個(gè)問(wèn)題其實(shí)就有了思路。我們應(yīng)該分客戶端和服務(wù)器端，這兩種場(chǎng)景來(lái)分析。
對(duì)客戶端來(lái)說(shuō)，每次發(fā)起 TCP 連接請(qǐng)求時(shí)，都需要分配一個(gè)空閑的本地端口，去連嘩拿接遠(yuǎn)端的服務(wù)器。由于這個(gè)本地端口是獨(dú)占的，所以客戶端最多只能發(fā)起個(gè)連接。
對(duì)服務(wù)器端來(lái)說(shuō)，其通常監(jiān)聽(tīng)在固定端口上（比如 80 端口），等待客戶端的連接。根據(jù)五元組結(jié)構(gòu)，我們知道，客戶端的 IP 和端口都是可變的。如果不考慮 IP 地址分類以及資源限制，服務(wù)器端盯雀的理論更大連接數(shù)，可以達(dá)到 2 的 48 次方（IP 為 32 位，端口號(hào)為 16 位），遠(yuǎn)大于 65535。
所以，綜合來(lái)看，客戶端更大支持個(gè)連接，而服務(wù)器端可支持的連接數(shù)是海量的。當(dāng)然，由于 Linux 協(xié)議棧本身的性能，以及各種物理和軟件的資源限制等，這么大的連接數(shù)，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的（實(shí)際上，C10M 就已經(jīng)很難了）。
linux 網(wǎng)絡(luò) 處理流程的介紹就聊到這里吧，感謝你花時(shí)間閱讀本站內(nèi)容，更多關(guān)于linux 網(wǎng)絡(luò) 處理流程,深度解析：Linux網(wǎng)絡(luò)處理流程全面剖析,網(wǎng)絡(luò)收發(fā)過(guò)程中，緩沖區(qū)位置在哪里？的信息別忘了在本站進(jìn)行查找喔。
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當(dāng)前標(biāo)題：深度解析：Linux網(wǎng)絡(luò)處理流程全面剖析(linux網(wǎng)絡(luò)處理流程)
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