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三张图告诉你Linux TCPIP协议栈原理

2025-01-03 智能 0

三张图告诉你Linux TCP/IP协议栈原理

可以毫不夸张的说现如今的互联网是基于TCP/IP构建起来的网络。弄懂协议栈的原理,无论对除错网络IO效能还是解决网络问题都是有很大帮助的。本片文章就带领大家来看看核心是如何控制网络资料流的。

TCP特点

我们都非常清楚TCP协议设计的初衷,就是保证资料传输的快速,有序,无误。所以特点总结如下:

面向连线,可以用五元组来表示一条连线(远端ip,远端埠,本地ip,本地埠,传输层协议)。资料是全双工的资料是有序的,也就是接受的资料一定是按照发送时的顺序的。流量控制,传送方可以通过接收方滑动视窗大小来动态调整发送资料的大小。拥塞控制,传送方通过ACK的状态结合拥塞算法综合计算给出视窗大小。了解完TCP特点字后,我们就来真正的看看资料传送到底是怎样的过程?

资料传送

我们首先来看张图:

上图展示的是资料流动的在硬件中的过程,下图展示的是资料在协议栈的过程:

整个过程分为三个大区域:使用者区,核心区,装置。这里所说的装置就是网络卡。流程如下:

使用者应用程序呼叫write系统呼叫确认档案描述符拷贝资料到socket buffer中建立tcp片段,计算checksum新增IP头,执行ip路由,计算checksum新增以太网协议头部,执行ARP告诉网络卡芯片要传送资料了网络卡从内存中获取资料传送,传送完成中断告诉CPU

资料接收

直接看硬件资料流图:

首先网络卡把接收到的资料包写入到它的内存之中。然后对其进行校验,通过后传送到主机的主存之中。主存中的buffer是驱动分配好的,驱动会把分配好的buffer描述告诉网络卡,如果没有足够的buffer接受网络卡的资料包,网络卡会将资料包丢弃。一旦资料包拷贝到主存完成,网络卡会通过中断告知主机OS。

之后驱动会检查它是否能处理这个新的包。如果能处理,驱动会把资料包包装成OS认识的结构(linux sk_buffer)并推送到上层。 链路层接收到帧后检查通过的话会按照协议解帧并推送至IP层。

IP层会在解包之后根据包中包含的IP资讯决定推送至上层还是转发到其他IP。如果判断需要推送至上层,则会解掉IP包头并推送至TCP层。

TCP在解报之后会根据其四元组找到对应的TCB,之后通过TCP协议处理这个报文。在接收到报文后,会把报文加到接受报文,之后根据TCP的状态传送一个ACK给对端。

当然上述过程会受到NAT等等Netfilter的作用,这里不谈了,也没深研究过。当然为了效能,大牛们方方面面也做了很多努力,比如大到RDMA、DPDK等大的软硬件技术,小到zero-copy、checksum offload等;

总结

现代的软硬件TCP/IP协议栈单链接传送速率到1~2GiB/s完全没有任何问题(经过实测)。如果你想探索更优秀的效能,你可以尝试RMDA等技术,他们通过绕过核心以减少拷贝等方式优化了效能,当然可能依赖硬件。
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