Linux_网络栈剖析.pdfVIP

简介： Linux® 操作系统的最大特性之一就是它的网络栈。它最初源于 BSD 的网络栈， 具有一套非常干净的接口，组织得非常好。其接口范围从协议无关层（例如通用 socket 层接口或设备层）到各种网络协议的具体层。本文将从分层角度对 Linux 网络 栈的接口进行探索，并介绍其中的一些主要结构。 协议简介 虽然对于网络的正式介绍一般都参考了 OSI （Open Systems Interconnection） 模型，但是本文对 Linux 中基本网络栈的介绍分为四层的 Internet 模型（如 图 1 所示）。 图 1. 网络栈的 Internet 模型 这个栈的最底部是链路层。链路层是指提供对物理层访问的设备驱动程序，这 可以是各种介质，例如串口链路或以太网设备。链路层上面是网络层，它负责 将报文定向到目标位置。再上一层称为传输层，负责端到端的通信（例如，在 一台主机内部）。尽管网络层负责管理主机之间的通信，但是传输层需要负责 管理主机内部各端之间的通信。最后一层是应用层，它通常是一个语义层，能 够理解要传输的数据。例如，超文本传输协议（HTTP）就负责传输服务器和客 户机之间对 Web 内容的请求与响应。 实际来说，网络栈的各个层次有一些更为人所熟知的名字。在链路层上，可以 找到以太网，这是最常用的一种高速介质。更早的链路层协议包括一些串口协 议，例如 SLIP （Serial Line Internet Protocol）、CSLIP （Compressed SLIP）和PPP （Point-to-Point Protocol）。最常见的网络层协议是 IP （Internet Protocol），但是网络层中还存在一些满足其他需求的协议，例如 ICMP （Internet Control Message Protocol）和ARP （Address Resolution Protocol）。在传输层上是 TCP （Transmission Control Protocol）和 UDP （User Datagram Protocol）。最后，应用层中包含很多大家都非常熟悉的协 议，包括标准的 Web 协议 HTTP 和电子邮件协议 SMTP （Simple Mail Transfer Protocol）。 回页首 核心网络架构 现在继续了解 Linux 网络栈的架构以及如何实现这种 Internet 模型。图 2 提供了 Linux 网络栈的高级视图。最上面是用户空间层，或称为应用层，其中 定义了网络栈的用户。底部是物理设备，提供了对网络的连接能力（串口或诸 如以太网之类的高速网络）。中间是内核空间，即网络子系统，也是本文介绍 的重点。流经网络栈内部的是 socket 缓冲区（sk_buffs），它负责在源和汇 点之间传递报文数据。您很快就将看到 sk_buff 的结构。 图 2. Linux 高级网络栈架构 首先，让我们来快速浏览一下 Linux 网络子系统的核心元素，后续章节中会更 详细进行介绍。顶部（请参阅图 2）是系统调用接口。它简单地为用户空间的 应用程序提供了一种访问内核网络子系统的方法。位于其下面的是一个协议无 关层，它提供了一种通用方法来使用底层传输层协议。然后是实际协议，在 Linux 中包括内嵌的协议 TCP、UDP，当然还有 IP。然后是另外一个协议无关 层，提供了与各个设备驱动程序通信的通用接口，最下面是设备驱动程序本身。 回页首 系统调用接口 系统调用接口可以从两个角度进行描述。用户发起网络调用时，通过系统调用 接口进入内核的过程应该是多路的。最后调用 ./net/socket.c 中的 sys_socketcall 结束该过程，然后进一步将调用分路发送到指定目标。系统调 用接口的另一种描述是使用普通文件操作作为网络 I/O。例如，典型的读写操 作可以在网络 socket 上执行（socket 使用一个文件描述符表示，与一个普通 文件一样）。因此，尽管有很多操作是网络专用的（使用 socket 调用创建一 个 socket，使用 connect 调用连接一个收信方，等等），但是也有一些标准 的文件操作可以应用于网络对象，就像操作普通文件一样。最后，系统调用接 口提供了在用户空间应用程序和内核之间转移控制的方法。 回页首 协议无关接口 socket 层是一个协议无关接口，它提供了一组通用函数来支持各种不同协议。 socket 层不但可以支持典型的 TCP 和 UDP 协议，而且还可以支持 IP、裸以 太网和其他传输协议，例如 SCTP （Stream Control Tr