15.网络性能-linux网络基础

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。其中，应用层，负责为应用程序提供统一的接口。表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式。会话层，负责维护计算机之间的通信连接。传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包。网络层，负责数据的路由和转发。数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。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，我们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，其中，应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。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。

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。

 

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

网络包的接收流程

我们先来看网络包的接收流程。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。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。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。比如，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。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。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。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。