Linux 网络硬核系列：TCP/IP 协议栈

今天给大家介绍Linux网络技术中最核心的部分--TCP/IP协议栈 。

我们先看一下抽象的网络协议栈模型

TCP/IP四层（参考）模型

再按分层思想看Linux内核协议栈实现框架

自顶向下

Socket/ L4 TCP layer

1. socket layer

socket对象层次结构

socket框架

  • socket系统调用（socket，bind，listen，accept，send，recv等）

  • BSD socket API

  • 协议栈sock抽象适配层

  • tcp/udp/icmp/raw/packet/netlink/... socket管理

  • socket选项

2. tcp/udp layer

  • TCP报文收发

  • TCP Socket连接管理

  • TCP协议状态机，定时器处理

  • TCP滑动窗口，拥塞控制框架

L3 IP layer

1. IP handle

  • 报文分片和重组

  • IP协议字段处理，IP选项，Qos，TTL，校验等处理

  • 报文接收（解封装）和发送(IP协议封装，提供给上层接口）

  • 组播，ICMP协议处理等

2. netlfilter框架

5个HOOK点：

PREROUTING：数据包进入路由表之前

INPUT：通过路由表后目的地为本机

FORWARD：通过路由表后，目的地不为本机

OUTPUT：由本机产生，向外发送

POSTROUTIONG：发送到网卡接口之前。

每个HOOK点都会执行一些函数，大致分为下面几个表：

NAT表: 用于实现nat功能，端口映射，地址映射等

mangle表: 用来修改报文，例如更改IP标头的TOS / DSCP / ECN位

filter表：用来过滤报文

raw表：用来提前标记报文不走一些流程（比如不需要建会话)

conntrack表：连接跟踪表，跟踪连接会话，用来实现状态防火墙，NAT功能的基础，可扩展更多功能。

核心处理流程

主要功能

  • 无状态数据包过滤（IPv4和IPv6）

  • 有状态的数据包过滤（IPv4和IPv6）

  • 各种网络地址和端口转换，例如NAT / NAPT（IPv4和IPv6）

  • 灵活可扩展的基础架构

  • 第三方扩展的API

3. 路由系统

协议栈处理位置

路由子系统架构

  • FIB（The Forwarding Information Base ）

  • 策略路由 Policies

  • 路由匹配HASH，LC-tries等

主要功能

  • 三层路由转发

4. 邻居系统

  • ARP协议(IPV4),NDP协议（IPV6)

  • 邻居表新建，更新，老化机制，状态转化等

  • API接口

主要功能

  • 获取mac地址

L2 link layer(driver)

1. Link layer

Bridge

  • FDB(macforwarding database)管理

  • port，bridge对象管理和报文接收，转发

  • STP，vlan协议相关处理

主要功能

  • 实现二层mac转发

链路协议

  • IEEE 802协议族（STP，VLAN，以太网，无线wifi，令牌环等）

Packt Type

  • Protocol handler

  • Packet_type list

主要功能

  • 链路层报文协议分发

Traffic control

  • qdisc ：通过队列将数据包缓存起来，用来控制网络收发的速度

  • class ：用来表示控制策略

  • filter ：用来将数据包划分到具体的控制策略

主要功能

  • 提供的流量限速、整形和策略控制机制（Qos）

2. hardware driver layer

  • 网络设备管理

  • RPS,RFS,XPS,GRO,GSO,TSO等优化特性

  • 网卡软中断收发，NAPI，DMA

  • 支持各种网卡驱动实现

协议栈文件系统

Proc FileSystem

  • /proc/net

  • /proc/sys/net

      ipv4

          core

Sys FileSystem

  • /sys/class/net/ethx

主要功能

  • 提供协议栈相关配置查询和设置

最后

整体架构图

如果想了解更多细节，请阅读Linux内核源码或者参考下面两本经典著作：

《The Linux Networking Architecture》

《Understanding Linux Network Internals》

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