Linux Network Stack 系列 01

2016-01-27

从这篇文章开始，我试图写一个系列关于 Linux Network Stack 的文章，看看能不能讲清楚一个网络包从网线到达应用程序的整个过程。首先我们将这个过程分下类，这个过程主要涉及 Linux Kernel 部分和 User Space 部分。

这篇文章首先尝试解释下网卡 <—-> 协议栈边界发生的事情。

网卡/协议栈边界的读/写数据过程

下面我分别看看这两个过程是怎么回事：

下面我分别看看收包和发包的过程。

上图中我们的收包过程是蓝色线条，数据包的接收，从下往上经过了三层：网卡驱动、系统内核空间，最后到用户态空间的应用。现在来详细解释下：

当一个新的数据包到达，NIC(network interface controller)调用 DMA engine，通过Ring Buffer将数据包放置到内核内存区。
一旦数据包被成功接收，NIC发起中断，由内核的中断处理程序将数据包传递给IP层。
经过IP层的处理，数据包被放入队列等待TCP层处理。每个数据包经过TCP层一系列复杂的步骤，更新TCP状态机，
最后到达 recv Buffer，等待被应用接收处理。

我现在解释几点：

Linux内核使用 sk_buff(socket kernel buffers)数据结构描述一个数据包。
Ring Buffer的大小固定，它不包含实际的数据包，而是包含了指向sk_buff的描述符。当Ring Buffer满的时候，新来的数据包将给丢弃。
从 NIC 中内存的 package 数据可以不经过 CPU 直接拷贝到 Kernel 中的内存，这个过程就是 DMA：Directional Memory Access，主要用于快速数据交换。
从上图中可以看到 DMA 操作了 kernel 中的一块内存，这块内存其实是 Device Driver 注册的时候向 Kernel 提前申请的。
最后需要注意，数据包到达 recv Buffer，TCP就会回ACK确认，既TCP的ACK表示数据包已经被操作系统内核收到，但并不确保应用层一定收到数据（例如这个时候系统crash），因此一般建议应用协议层也要设计自己的确认机制。