33-基础篇：关于Linux网络，你必须知道这些(上)

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同CPU、内存以及I/O一样，网络也是Linux系统最核心的功能
网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术
它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行
随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得越来越重要

网络模型

OSI网络模型，开放式系统互联通信参考模型

为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程
OSI模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层
每个层负责不同的功能

1. 应用层，负责为应用程序提供统一的接口
2. 表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式
3. 会话层，负责维护计算机之间的通信连接
4. 传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包
5. 网络层，负责数据的路由和转发
6. 数据链路层，负责MAC寻址、错误侦测和改错
7. 物理层，负责在物理网络中传输数据帧

但是OSI模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法
所以在Linux中，实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即TCP/IP网络模型

TCP/IP模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层

1. 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如HTTP、FTP、DNS等
2. 传输层，负责端到端的通信，比如TCP、UDP等
3. 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如IP、ICMP等
4. 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如MAC寻址、错误侦测以及通过网 卡传输网络帧等

TCP/IP与OSI模型的关系图

当然了，虽说Linux实际按照TCP/IP模型，实现了网络协议栈
但在平时的学习交流中，习惯上还是用OSI七层模型来描述
比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是OSI模型中的应用层和传输层
（而对应到TCP/IP模型中，实际上是四层和三层）

Linux网络栈

有了TCP/IP模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理
然后封装上该层的协议头，再发送给下一层

当然网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议
比如在应用层，一个提供REST API的应用
可以使用HTTP协议，把它需要传输的JSON数据封装到HTTP协议中，然后向下传递给TCP层

而封装做的事情就很简单了，只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改

比如，以通过TCP协议通信的网络包为例
通过下面这张图可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式

1. 传输层在应用程序数据前面增加了TCP头
2. 网络层在TCP数据包前增加了IP头
3. 网络接口层，又在IP数据包前后分别增加了帧头和帧尾

这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小
物理链路中并不能传输任意大小的数据包
网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的IP包大小
在最常用的以太网中，MTU默认值是1500（这也是Linux的默认值）
一旦网络包超过MTU的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的IP包不大于MTU值
显然，MTU越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好

理解了TCP/IP网络模型和网络包的封装原理后
很容易能想到Linux内核中的网络栈，其实也类似于 CP/IP的四层结构
如下图所示，就是Linux通用IP网络栈的示意图

1. 最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互
2. 套接字的下面，就是前面提到的传输层、网络层和网络接口层
3. 最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备

网卡是发送和接收网络包的基本设备
在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中
而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互

再结合前面提到的Linux网络栈，可以看出，网络包的处理非常复杂
所以，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理

Linux网络收发流程

了解了Linux网络栈后，再来看看Linux到底是怎么收发网络包的

注意以下内容都以物理网卡为例
事实上Linux 还支持众多的虚拟网络设备，而它们的网络收发流程会有一些差别

网络包的接收流程

1. 当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过DMA方式，把这个网络包放到收包队列中
   然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包

2. 接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到sk_buff缓冲区中
   然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧

3. 接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧

   1. 在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（比如IPv4还是IPv6）
      再去掉帧 头、帧尾，然后交给网络层
   2. 网络层取出IP头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发
      当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（比如TCP还是UDP）
      去掉IP头，再交给传输层处理
   3. 传输层取出TCP头或者UDP头后，根据 <源IP、源端口、目的IP、目的端口> 四元组作为标识
      找出对应的Socket，并把数据拷贝到Socket的接收缓存中
   4. 最后应用程序就可以使用Socket接口，读取到新接收到的数据了

为了更清晰表示这个流程，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径

网络包的发送流程

了解网络包的接收流程后，就很容易理解网络包的发送流程
网络包的发送流程就是上图 的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反

1. 首先，应用程序调用Socket API（比如 sendmsg）发送网络包

2. 由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中
   套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中

3. 接下来，网络协议栈从Socket发送缓冲区中，取出数据包
   再按照TCP/IP栈，从上到下逐层处理
   比如，传输层和网络层，分别为其增加TCP头和IP头，执行路由查找确认下一跳的IP，并按照MTU大小进行分片

4. 分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的MAC地址
   然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中
   这一切完成后，会有软中断通知驱动程序，发包队列中有新的网络帧需要发送

5. 最后，驱动程序通过DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去

小结

Linux网络的工作原理

1. 多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络
   由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的OSI网络模型，
   但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的TCP/IP模型
2. TCP/IP模型，把网络互联的框架，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，
   这也是Linux网络栈最核心的构成部分
   1. 应用程序通过套接字接口发送数据包，先要在网络协议栈中从上到下进行逐层处理，最终再送到网卡发送出去
   2. 接收时，同样先经过网络栈从下到上的逐层处理，最终才会送到应用程序