网络编程中用户层与内核态的交互

原创已于 2024-09-23 22:38:13 修改 · 1.8k 阅读

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于 2024-09-19 14:39:44 首次发布

在网络编程中，应用层的文件描述符（fd）以及 recv 和 send 函数与内核中的 TCP 控制块（TCB）、接收缓存区（rmem）和发送缓存区（wmem）有着紧密的关系。理解它们的关系有助于理清应用层与内核网络协议栈的交互过程。

文件描述符（fd）：在应用程序中，fd 是一个整数值，代表内核中某个网络套接字（socket）的引用。应用程序通过 fd 进行网络通信，调用 recv 和 send 函数来接收和发送数据。
recv(fd, buf, len, flags)：从套接字读取数据。应用层调用 recv 时，实际上是从内核接收缓存（rmem）中读取数据。数据从网络上到达后，首先存储在内核空间的接收缓冲区，应用程序通过 recv 将数据从内核缓冲区复制到用户空间的缓冲区中。
send(fd, buf, len, flags)：向套接字发送数据。调用 send 时，数据从用户空间的缓冲区复制到内核空间的发送缓冲区（wmem），然后由内核处理网络协议，将数据通过网络接口发送出去。

TCP 控制块（TCB）：TCP 协议在内核中的每个连接都有一个 TCP 控制块（struct tcp_sock），它是一个数据结构，用于存储与这个 TCP 连接相关的所有信息，包括状态（如 SYN_SENT、ESTABLISHED）、序列号、窗口大小、以及指向接收缓冲区和发送缓冲区的指针。
接收缓冲区（rmem）：当数据从网络上到达时，内核首先将其存入该套接字的接收缓冲区（rmem）。rmem 是内核分配的空间，用于暂时存放接收到的数据，等待应用程序调用 recv 函数将数据取走。如果 rmem 满了，TCP 会让发送方减少数据发送，控制流量。
发送缓冲区（wmem）：应用程序调用 send 时，数据首先被存入该套接字的发送缓冲区（wmem）。wmem 也是内核空间的一部分，用来存放应用层想要发送的数据。内核将数据从 wmem 中取出，按照 TCP 协议进行分段、添加头部信息后，通过网络接口发出去。如果 wmem 满了，send 函数可能会阻塞，直到有空间可以写入新的数据。

send 与 wmem：
- 当应用程序调用 send(fd, buf, len, flags) 时，数据从应用程序的缓冲区拷贝到内核的 wmem（发送缓冲区）。
- 内核从 wmem 中获取数据，按照 TCP 协议将数据封装成 TCP 段，经过 IP 层处理后，最终发送到网络接口。
- 如果 wmem 满了，应用程序的 send 可能会阻塞（如果套接字是阻塞的），直到缓冲区有空间。

recv 与 rmem：
- 当数据到达服务器或客户端时，数据首先进入内核的接收缓冲区 rmem。
- 应用程序通过 recv(fd, buf, len, flags) 从 rmem 中读取数据，并将其拷贝到应用层缓冲区中。
- 如果 rmem 中没有数据，recv 函数会阻塞（如果套接字是阻塞的），直到有数据到达。
- 如果 rmem 满了，TCP 会通过窗口机制通知发送方停止发送，防止接收方溢出。

数据流动方向：
- 发送方向：应用层通过 send 将数据放入内核的 wmem，内核负责将数据通过网络发送出去。
- 接收方向：内核从网络上接收数据并存入 rmem，应用层通过 recv 从 rmem 中读取数据。

缓存机制：rmem 和 wmem 是内核中的缓存区，起到数据的缓冲作用。内核负责维护这些缓存，应用程序只需通过 send 和 recv 与内核交互，内核则负责网络协议的处理。

阻塞与非阻塞 I/O：如果套接字是阻塞的，recv 和 send 会根据 rmem 和 wmem 的状态阻塞等待。非阻塞套接字则会立即返回并告知应用程序是否有数据可用或缓冲区是否已满。
流量控制：rmem 和 wmem 的大小直接影响网络流量控制。如果接收缓冲区 rmem 满了，发送方会通过 TCP 窗口机制被迫减慢发送速率。

应用层通过 recv 和 send 与内核中的 rmem 和 wmem 交互，内核使用 TCB 来管理每个 TCP 连接的状态。
recv 和 send 分别从 rmem 读取和向 wmem 写入数据，内核通过这些缓冲区管理网络数据的流动，并确保通过流量控制机制保证稳定传输。