今天給大家介紹Linux網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中最核心的部分--TCP/IP協(xié)議棧 。       

我們先看一下抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模型

TCP/IP四層（參考）模型

再按分層思想看Linux內(nèi)核協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)框架

自頂向下

Socket/ L4 TCP layer

1. socket layer

socket對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

socket框架

•  socket系統(tǒng)調(diào)用（socket，bind，listen，accept，send，recv等）
•  BSD socket API
•  協(xié)議棧sock抽象適配層
•  tcp/udp/icmp/raw/packet/netlink/... socket管理
•  socket選項(xiàng)

2. tcp/udp layer

•  TCP報(bào)文收發(fā)
•  TCP Socket連接管理
•  TCP協(xié)議狀態(tài)機(jī)，定時(shí)器處理
•  TCP滑動(dòng)窗口，擁塞控制框架

L3 IP layer

1. IP handle

•  報(bào)文分片和重組
•  IP協(xié)議字段處理，IP選項(xiàng)，Qos，TTL，校驗(yàn)等處理
•  報(bào)文接收（解封裝）和發(fā)送(IP協(xié)議封裝，提供給上層接口）
•  組播，ICMP協(xié)議處理等

2. netlfilter框架

5個(gè)HOOK點(diǎn)：

PREROUTING：數(shù)據(jù)包進(jìn)入路由表之前

INPUT：通過(guò)路由表后目的地為本機(jī)

FORWARD：通過(guò)路由表后，目的地不為本機(jī)

OUTPUT：由本機(jī)產(chǎn)生，向外發(fā)送

POSTROUTIONG：發(fā)送到網(wǎng)卡接口之前。

每個(gè)HOOK點(diǎn)都會(huì)執(zhí)行一些函數(shù)，大致分為下面幾個(gè)表：

NAT表: 用于實(shí)現(xiàn)nat功能，端口映射，地址映射等

mangle表: 用來(lái)修改報(bào)文，例如更改IP標(biāo)頭的TOS / DSCP / ECN位

filter表：用來(lái)過(guò)濾報(bào)文

raw表：用來(lái)提前標(biāo)記報(bào)文不走一些流程（比如不需要建會(huì)話)

conntrack表：連接跟蹤表，跟蹤連接會(huì)話，用來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)防火墻，NAT功能的基礎(chǔ)，可擴(kuò)展更多功能。

核心處理流程

主要功能

•  無(wú)狀態(tài)數(shù)據(jù)包過(guò)濾（IPv4和IPv6）
•  有狀態(tài)的數(shù)據(jù)包過(guò)濾（IPv4和IPv6）
•  各種網(wǎng)絡(luò)地址和端口轉(zhuǎn)換，例如NAT / NAPT（IPv4和IPv6）
•  靈活可擴(kuò)展的基礎(chǔ)架構(gòu)
•  第三方擴(kuò)展的API

3. 路由系統(tǒng)

協(xié)議棧處理位置

路由子系統(tǒng)架構(gòu)

•  FIB（The Forwarding Information Base ）
•  策略路由 Policies
•  路由匹配HASH，LC-tries等

主要功能

    三層路由轉(zhuǎn)發(fā)

4. 鄰居系統(tǒng)

•  ARP協(xié)議(IPV4),NDP協(xié)議（IPV6)
•  鄰居表新建，更新，老化機(jī)制，狀態(tài)轉(zhuǎn)化等
•  API接口

主要功能

•  獲取mac地址

L2 link layer(driver)

1. Link layer

Bridge

•  FDB(macforwarding database)管理
•  port，bridge對(duì)象管理和報(bào)文接收，轉(zhuǎn)發(fā)
•  STP，vlan協(xié)議相關(guān)處理

主要功能

•  實(shí)現(xiàn)二層mac轉(zhuǎn)發(fā)

鏈路協(xié)議

•  IEEE 802協(xié)議族（STP，VLAN，以太網(wǎng)，無(wú)線wifi，令牌環(huán)等）

Packt Type

•  Protocol handler
•  Packet_type list

主要功能

•  鏈路層報(bào)文協(xié)議分發(fā)

Traffic control

•   qdisc ：通過(guò)隊(duì)列將數(shù)據(jù)包緩存起來(lái)，用來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的速度
•  class ：用來(lái)表示控制策略
•  filter ：用來(lái)將數(shù)據(jù)包劃分到具體的控制策略

主要功能

•  提供的流量限速、整形和策略控制機(jī)制（Qos）

2. hardware driver layer

•  網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理
•  RPS,RFS,XPS,GRO,GSO,TSO等優(yōu)化特性
•  網(wǎng)卡軟中斷收發(fā)，NAPI，DMA
•  支持各種網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

協(xié)議棧文件系統(tǒng)

Proc FileSystem

•  /proc/net
•  /proc/sys/net

           ipv4

           core

Sys FileSystem

•  /sys/class/net/ethx

主要功能

•  提供協(xié)議棧相關(guān)配置查詢和設(shè)置

最后

整體架構(gòu)圖