Linux 网络通信

 

socket API：

 

工作在不同层面上的socket

实际上，Linux内核只提供了一个与套接字相关的系统调用，即sys_socketcall，应用程序的所有套接字调用都会映射到这个系统调用上

Linux网络核心数据结构是套接字缓存(socket buffer)，简称skb。它代表一个要发送或处理的报文，并贯穿于整个协议栈。
1、    套接字缓存
skb由两部分组成：
(1)    报文数据：它保存了实际在网络中传输的数据；
(2)    管理数据：供内核处理报文的额外数据，这些数据构成了协议之间交换的控制信息。
当应用程序向一个socket传输数据之后，该socket将创建相应的套接字缓存，并将用户数据拷贝到缓存中。当报文在各协议层传达输的过程中，每一导的报文头将插入到用户数据之前。skb为报文头申请了足够的空间，所以避免了由于插入报文头而对报文进行多次拷贝。用户数据只拷贝了两次：一是从用户空间拷贝到内核；二是报文数据从内核传送到网络适配器。

skb结构：

在网络协议栈的实现中，有时需要把许多网络报文放到一个队列中做异步处理。LINUX 为此定义了相关的数据结构 sk_buff_head。这是一个双向链表的头，它把sk_buff链接成一个双向链表。

 

网络设备(network device)是内核对网络适配器(硬件)的抽象与封装，并为各个协议实例提供统一的接口，它是硬件与内核的接口，它有两个特征：
(1)    作为基于硬件的网络适配器与基于软件的协议之间的接口；
(2)    内核协议栈异步输入输出点。
网络设备与协议和网络适配器的关系如下：

 

在注册网络设备之前，必须为之分配内存空间，这一任务由net/core/dev.c中定义的alloc_netdev函数来完成。 所有的网络设备组成一个由dev_base开头的链表。

不同类型的网络设备会有不同的函数来封装alloc_netdev：

网络设备注册(a)与注销模型(b)：

 

传输数据
网络子系统中，数据最后由链路层协议调用dev_queue_xmit()，位于net/core/dev.c，完成传输，而dev_queue_xmit 又会调用具体网络适配器的驱动程序方法dev->hard_start_xmit()，从而驱动网络适配器最终完成数据传输

接收数据
当网络适配器接收到数据帧时，就会触发一个中断，中断处理程序执行一些需要及时处理的任务，然后在下半部进行其它可以延迟的处理。中断处理程序主要进行以下一些操作：
(1)    分配sk_buff数据结构，并将接收到的数据帧从网络适配器I/O端口拷贝到sk_buff缓冲区中；
(2)    从数据帧中提取出一些信息，并设置sk_buff相应的参数，这些参数将被上层的网络协议使用，例如skb->protocol；
(3)    通过软中断NET_RX_SOFTIRQ通知内核接收到新的数据帧。

内核2.5中引入一组新的API来处理接收的数据帧，即NAPI。所以，当网络适配器接收到数据帧时，驱动有两种方式通知内核：(1)通过以前的函数netif_rx；(2)通过NAPI机制，但是只有很少的驱动使用它。

net_rx_action为处理接收数据帧的下半部函数，输入的数据帧在两个地方等待net_rx_action来处理：
(1)    CPU的输入队列。这是针对NON-NAPI方式的，它调用netif_rx，将数据帧加入到CPU的输入队列softnet_data->input_pkt_queue。
(2)    设备缓存。对于NAPI方式，poll函数从设备缓存读取数据帧。

netif_receive_skb是链路层接收数据报的最后一站。它根据注册在全局数组ptype_all和ptype_base里的网络层数据报类型，把数据报递交给不同的网络层协议的接收函数(INET域中主要是ip_rcv和arp_rcv)。

当协议注册时，内核会调用dev_add_pack添加一个与之对应的packet_type数据结构