Linux 网络子系统分析1_linux网络子系统-优快云博客

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Linux 网络子系统分析1（基于Linux6.6）---协议栈分层综述

一、概述

Linux 操作系统的网络协议栈是一个多层次的模块化架构，它负责处理从应用程序到物理网络之间的所有数据传输任务。这个协议栈遵循了经典的 OSI（开放系统互联）模型和 TCP/IP 模型的分层原则，通过将复杂的网络通信任务分解为多个层次，每一层都负责特定的功能和任务。Linux 网络协议栈的设计以其灵活性、可扩展性和可维护性著称。

在 Linux 中，协议栈的分层从最底层的物理传输层到最顶层的应用层，主要可以划分为以下几个层次：数据链路层（Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、应用层（Application Layer）和套接字接口（Socket Layer）。每一层通过特定的接口与上层和下层交互，保证了协议栈的模块化和解耦。

1. 数据链路层（Link Layer）

数据链路层位于最底层，负责与网络硬件（如网卡）直接交互。它处理数据的物理传输和链路层协议（如以太网、Wi-Fi、PPP等），并负责对数据进行帧封装。数据链路层主要包括以下几个组件：

网卡驱动（Network Interface Drivers）：负责与网络硬件直接交互，处理发送和接收数据包的硬件操作。
设备管理（Network Device Management）：负责对网络设备的管理、初始化、启动、停止等操作。
链路层协议（Ethernet, Wi-Fi 等）：对传输的数据进行帧封装，包括错误检测和数据校验（如 CRC）。

数据链路层通过硬件设备将数据包传输到网络层，通常使用 Ethernet（以太网）协议来实现。

2. 网络层（Network Layer）

网络层主要负责数据包的路由和转发，它的核心协议是 IP（Internet Protocol），负责在网络中定位设备和传递数据包。它的主要功能包括：

IP协议（IPv4和IPv6）：负责数据包的寻址与路由。通过 IP 地址来定位网络中的设备，并使用路由表将数据包从源地址转发到目标地址。
ARP协议（Address Resolution Protocol）：将 IP 地址映射到 MAC 地址，完成 IP 地址与物理地址之间的转换。
路由与转发：根据路由表将数据包转发到适当的下一跳。Linux 内核通过 net/ipv4 目录下的代码实现路由功能。
数据包分片和重组：IP 协议支持对过大的数据包进行分片，并在目标主机处重新组装。

在网络层，Linux 支持 IPv4 和 IPv6 两种协议栈，允许系统根据配置和网络环境选择不同的协议版本。

3. 传输层（Transport Layer）

传输层负责确保端到端的数据传输可靠性。它在网络层之上，主要提供 TCP 和 UDP 两种传输协议：

TCP（Transmission Control Protocol）：
- 提供可靠、面向连接的服务，确保数据的顺序和完整性。
- 支持流量控制、拥塞控制、重传机制等。
- TCP 使用 三次握手 建立连接，确保数据可靠传输。
- 通过 TCP窗口 控制数据流的速率，避免拥塞。
UDP（User Datagram Protocol）：
- 提供不可靠、无连接的服务，适用于要求低延迟和高效率的应用，如视频流、DNS查询等。
- UDP 不做流量控制、拥塞控制和错误重传。

传输层的功能包括：

端口映射：通过源端口和目标端口来区分不同应用之间的数据流。
流量控制：TCP协议通过滑动窗口机制来控制数据传输的速度，避免接收方缓冲区溢出。
错误检测：UDP 和 TCP 都使用校验和来检查数据的完整性。

4. 应用层（Application Layer）

应用层位于协议栈的最顶层，负责为用户提供网络服务和应用协议支持。它包括了各种应用层协议，如 HTTP、FTP、SMTP、DNS 等，主要提供以下功能：

应用层协议：如 HTTP（Web）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件传输）等，为用户提供特定的网络服务。
套接字接口（Socket API）：为应用程序提供网络通信接口。Linux 提供了一组系统调用，如 socket(), bind(), connect(), send(), recv() 等，使得应用层能够通过编程方式访问下层的网络服务。

应用层不直接参与协议栈的转发和路由工作，而是通过系统调用与套接字接口与下层进行交互，将应用数据传递到传输层，然后通过网络层和数据链路层发送出去。

5. Socket 接口层（Socket Layer）

Socket API 提供了应用层与网络协议栈之间的接口，它是应用程序和网络协议栈之间的桥梁。通过 socket 接口，用户空间的应用程序可以访问到 Linux 内核的网络协议栈。这个接口抽象了不同协议之间的复杂性，简化了应用程序的开发。

套接字类型：
- SOCK_STREAM：TCP协议，提供可靠的面向连接的流式服务。
- SOCK_DGRAM：UDP协议，提供不可靠的无连接服务。
- SOCK_RAW：原始套接字，允许访问网络层和数据链路层。
网络通信模型：应用程序通过套接字创建连接，进行数据的发送和接收。应用程序通常不需要关心协议栈的具体实现，只需要使用标准的套接字 API。

6. Linux 协议栈的实现特点

模块化设计：Linux 网络协议栈的各层实现是高度模块化的，每一层都可以独立开发、维护和替换。网络协议的添加与修改可以相对独立地进行，而不影响其他层的功能。
性能优化：Linux 内核提供了多种性能优化机制，如多队列网络设备支持、TCP 拓扑优化、接收/发送缓冲区管理等。
支持多协议栈：Linux 不仅支持传统的 IPv4 和 IPv6 协议栈，还可以通过插件方式支持更多的协议，如 ARP、MPLS、VPN 等。
网络命名空间（Network Namespace）：Linux 提供了网络命名空间功能，允许每个进程在独立的网络环境中运行，支持容器技术中的虚拟网络。

二、Linux网络子系统的分层

2.1、为何要分层

linux网络子系统实现需要：

支持不同的协议族 ( INET, INET6, UNIX, NETLINK...)
支持不同的网络设备
支持统一的BSD socket API

需要屏蔽协议、硬件、平台(API)的差异，因而采用分层结构：

在 Linux 中，网络子系统的架构通常可以分为以下几个主要层次（从底到顶）：

数据链路层（Link Layer）：主要负责网络设备的驱动程序和底层的硬件操作，包括处理设备驱动、网卡的初始化、数据帧的发送和接收等。
网络层（Network Layer）：处理 IP 协议相关的工作，负责 IP 数据包的路由、转发、地址映射等。这一层主要涉及 IPv4 和 IPv6 协议的处理。
传输层（Transport Layer）：提供可靠或不可靠的数据传输机制，主要由 TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）实现，处理端到端的通信、流量控制、错误检测等。
应用层（Application Layer）：位于最上层，负责与用户程序进行交互，如 HTTP、FTP、SMTP 等应用协议。这一层的协议栈为上层应用程序提供接口。
Socket API：这是应用层和内核网络子系统之间的接口，提供了系统调用来操作网络（如 socket(), bind(), send() 等）。

2.2、协议无关接口

协议无关接口对应socket layer:

上图左半部分的socket layer提供了两个接口：

向上层提供address family相关接口——net_proto_family{}
向上层提供对应于BSD socket 的接口——proto_ops{}

同时，网络协议层为socket层提供具体协议接口——proto{}，以上三个接口功能即作用总结如下表:

接口名称	定义位置	注册接口	作用
net_proto_family{}	include/linux/net.h	sock_register	为网络协议层提供address family的注册接口
proto{}	include/net/sock.h	proto_register/ inet_register_protosw	为网络协议层提供protocol注册接口
proto_ops{}	include/linux/net.h	inet_register_protosw	为VFS提供BSD socket注册接口

协议栈的简化分层组织（假设的图示）：

+---------------------+
|     Application     |      <-- 应用层
+---------------------+
|     Socket Layer    |      <-- 套接字接口层（协议无关接口）
+---------------------+
|  Transport Layer    |      <-- 传输层 (TCP/UDP)
+---------------------+
|  Network Layer      |      <-- 网络层 (IP/ARP)
+---------------------+
|  Link Layer         |      <-- 数据链路层 (Ethernet, Wi-Fi等)
+---------------------+
|  Physical Layer     |      <-- 物理层 (网络硬件)
+---------------------+

下面以具体的协议INET来分析，对于address family接口，可以看到family<->create的对应

include/linux/net.h

struct net_proto_family {
	int		family;
	int		(*create)(struct net *net, struct socket *sock,
				  int protocol, int kern);
	struct module	*owner;
};

对于proto接口，情况稍有不同，proto基本上是方法的合集，需要建立和type的映射关系，另一方面作为对上层提供的proto_ops，也需要建立和type的对应，因此inet引入另一个结构，集中进行管理注册，该结构是inet_protosw

include/net/protocol.h

/* This is used to register socket interfaces for IP protocols.  */
struct inet_protosw {
	struct list_head list;

        /* These two fields form the lookup key.  */
	unsigned short	 type;	   /* This is the 2nd argument to socket(2). */
	unsigned short	 protocol; /* This is the L4 protocol number.  */

	struct proto	 *prot;
	const struct proto_ops *ops;
  
	unsigned char	 flags;      /* See INET_PROTOSW_* below.  */
};

看定义看到type<->proto<->proto_ops的对应关系

实际上实现也是如此，通过接口inet_register_protosw将proto和proto_ops加入到inetsw的type数组中便于检索。这里面还有一个永久协议的概念，参见其中的flag参数。

至此，socket层的抽象接口已经建立并管理起来了。

再来看图的右半部分，可以发现每一层都有一个抽象的实体与之对应：file，socket，sock，从图中可以看出socket的承上启下的作用：向上指向file，向下指向sock，所以上面描述的三个分层可以看作是以抽象数据结构作为对象，使用抽象出来的接口作为对象拥有的行为。

这里sock是一个基类，不同的address family有不同的sock，如对于INET来说，初始化为inet_sock。

2.3、网络协议层

以INET层为例，网络协议层分为transport layer和network layer：

这里看到提供接口的方向是向下的，实际对应报文接收流程，报文由下到上需要解复用。

网络层和传输层之间使用net_protocol建立protocol<->handler的对应关系，即通过IP包头protocol分析出传输层handler(tcp/udp/icmp/igmp)在网络层和设备无关层使用packet_type建立type<->func的对应关系，即通过二层头type分析出网络层func(arp, ip)。

接口	定义位置	注册接口	作用
net_protocol{}	include/net/protocol.h	inet_add_protocol	传输层和网络层收包解复用
packet_type{}	include/linux/netdevice.h	dev_add_pack	网络层和设备无关层收报解复用

上图中只说明了发方向，对于发方向，由于在INET中，网络层只有IP，因此就无需提供注册了，网络层向传输层提供的接口有：

ip_append_data/ip_append_page/ip_push_pending_frames。

ip_append_data() and ip_append_page() can make one large IP datagram from many pieces of data. Each pieces will be holded on the socket until ip_push_pending_frames() is called

2.4、设备无关接口

net_device是对网络设备的抽象，针对net_device有许多通用的接口，在发送侧，向网络层提供接口名称为dev_queue_xmit的接口，这里还有一个QOS层，如上图所示

接口名称	定义位置	注册接口	作用
net_device_ops{}	include/linux/netdevice.h	register_netdev	提供操作具体物理设备的通用接口

2.5、设备层

1. 网络设备层概述

网络设备层通常包括以下几个关键部分：

网络设备驱动程序：用于控制和管理计算机中的物理网络接口（如以太网卡、无线网卡等）。
数据链路层协议：如以太网协议、Wi-Fi 协议等，负责点对点的数据帧传输。
网络设备接口（Network Interface）：Linux 中通过 net_device 结构体来表示每个网络接口。

2. Linux 网络设备结构

在 Linux 中，所有的网络设备都被抽象为 net_device 结构体，这个结构体是网络接口的核心数据结构。每个 net_device 代表一个网络接口（如 eth0、wlan0 等）。通过它，操作系统能够与物理设备进行交互。

主要结构体字段包括：

name：设备名称（如 eth0、wlan0）。
dev_addr：设备的硬件地址（MAC 地址）。
mtu：最大传输单元（Maximum Transmission Unit），指定设备支持的最大数据包大小。
type：设备的类型，例如 ARPHRD_ETHER 表示以太网设备。
flags：设备的状态标志，如 IFF_UP 表示设备已经启用。
tx_queue_len：设备的发送队列长度，表示设备可以缓存的最大数据包数量。
operstate：设备的当前状态，如 IF_OPER_UP 表示设备已经启动。

3. Linux 网络设备驱动程序

Linux 的网络设备驱动程序负责管理和控制实际的硬件设备（例如网络适配器）。网络设备驱动程序的主要任务是：

初始化硬件设备：驱动程序负责设备的初始化，如设置网卡的 MAC 地址、配置设备的工作模式等。
发送和接收数据：驱动程序提供函数接口，允许操作系统将数据帧传递给网络设备，也能将接收到的帧传递给内核网络协议栈。
错误处理和性能监控：包括传输错误、缓冲区溢出、设备性能统计等。

驱动程序的工作流程：

初始化：设备启动时，驱动程序会配置硬件并分配资源。
数据接收：当设备收到数据包时，驱动程序将其传递给网络协议栈。
数据发送：当协议栈需要发送数据时，它会将数据传递给设备驱动程序，驱动程序负责将数据转换为物理帧，并通过网络设备发送出去。

4. 数据链路层协议

数据链路层负责在物理网络上传输数据帧。常见的数据链路层协议有：

以太网协议 (Ethernet)：以太网是最常见的局域网协议，它负责将网络数据封装成帧，并通过物理媒体传输。
Wi-Fi (802.11)：无线局域网协议，用于通过无线信号传输数据帧。

Linux 中，网络设备通常使用以太网协议，因此在设备层的数据传输使用的是 以太网帧格式。以太网帧包括：

前导码（Preamble）：用于同步发送和接收设备。
目标 MAC 地址：接收设备的硬件地址。
源 MAC 地址：发送设备的硬件地址。
类型字段（EtherType）：指示数据部分的协议类型，如 0x0800 表示 IP 数据包。
数据：要传输的数据。
CRC 校验：用于错误检测。

5. 网络设备与协议栈的交互

网络设备层位于操作系统网络协议栈的底部，与上层协议栈（如 IP、TCP）进行交互。数据流动的过程如下：

数据发送流程：
- 应用层通过套接字将数据传输到传输层（如 TCP 或 UDP）。
- 传输层将数据交给网络层，网络层添加 IP 头部并生成数据包。
- 数据包被传递到数据链路层，链路层负责将其封装为以太网帧。
- 最后，通过设备驱动程序将数据帧发送到网络接口，物理设备通过电缆或无线信号将数据传输到目标设备。
数据接收流程：
- 网络设备接收到数据帧后，设备驱动程序将其提取并交给数据链路层。
- 数据链路层解析以太网帧，并将有效载荷传递给网络层。
- 网络层处理 IP 地址，并将数据包传递给传输层，最终传递给应用程序。

6. Linux 网络设备管理命令

Linux 提供了一些命令来管理网络设备，以下是常用的网络设备管理命令：

ifconfig：显示或配置网络接口的基本信息，如 IP 地址、MAC 地址、接口状态等（在某些 Linux 发行版中已经被 ip 命令替代）。
ip link：用于显示或配置网络接口的详细信息，例如查看接口的状态、修改接口的 MAC 地址等。
ethtool：用于查询和修改网卡的配置（如速率、双工模式等）。
mii-tool：用于查询和设置网卡的 MII (Media Independent Interface) 配置。
lspci：查看系统中所有 PCI 设备，包括网络设备。

7. 网络设备和内核模块

网络设备通常由内核模块来管理，内核模块提供了对硬件的访问接口。Linux 支持多种不同的硬件设备，并通过内核模块加载特定的驱动程序来支持它们。

驱动程序模块：例如 e1000（Intel 网卡驱动）、r8169（Realtek 网卡驱动）。
通用网络协议模块：如 802.11（用于无线网络设备的驱动）和 bridge（用于虚拟交换机和网桥的驱动）等。

可以通过以下命令加载或卸载网络驱动程序模块：

modprobe e1000  # 加载 Intel 网卡驱动模块
rmmod e1000     # 卸载该驱动模块