Linux與FreeBSD中TCP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)之比較
作為兩個(gè)最有名的開(kāi)源操作系統(tǒng)，Linux和FreeBSD是網(wǎng)管們的***。Linux以開(kāi)放性和眾多的驅(qū)動(dòng)支持著稱，而FreeBSD有著優(yōu)良的UNIX傳統(tǒng)，是公認(rèn)的最穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。那么，在這兩個(gè)操作系統(tǒng)間，該如何選擇呢？幸好，我們有源碼，可以從協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)中尋找答案。
TCP/IP協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的事實(shí)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。最初的TCP實(shí)現(xiàn)源自4.4BSDlite，在Linux興起后，也不可避免得支持它。但Linux的實(shí)現(xiàn)自成體系，僅與傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保持接口上的兼容，下面我們將針對(duì)源碼級(jí)的實(shí)現(xiàn)，來(lái)分析一下兩者的異同。但是，對(duì)于Linux和FreeBSD這樣優(yōu)秀的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)所謂何優(yōu)何劣，有的僅僅是實(shí)現(xiàn)策略與側(cè)重點(diǎn)上的不同而已。
從進(jìn)程的角度上講，可以調(diào)用send,sendto,sendmsg來(lái)發(fā)送一段數(shù)據(jù)，來(lái)可以使用文件系統(tǒng)中的write和writev來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。同理，接收數(shù)據(jù)可以使用相應(yīng)的recv,recvmsg,recvfrom，也可以使用文件系統(tǒng)提供的read,readv來(lái)接收一段數(shù)據(jù)。對(duì)于接收來(lái)說(shuō)，這是異步進(jìn)行的，也就是說(shuō)，這是中斷驅(qū)動(dòng)的，在以后的分析中，我們要注意這點(diǎn)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，同時(shí)不失一般性，我們將分析TCP協(xié)議的輸入輸出全過(guò)程，并以已對(duì)LINUX及FreeBSD的實(shí)現(xiàn)作一對(duì)比。
首先我們來(lái)看FreeBSD上的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，這也是最正統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。下面是完整的輸入輸出路徑。
首先來(lái)看左邊的輸出，不管應(yīng)用程序調(diào)用哪個(gè)輸出函數(shù)，最終都要調(diào)用sosend來(lái)完成輸出。Sosend將從用戶空間把數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)內(nèi)核管理的m_buf數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，m_buf是FreeBSD的TCP實(shí)現(xiàn)使用的數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)。在sosend完成數(shù)據(jù)復(fù)制后，將調(diào)用TCP的輸出函數(shù)，tcp_output要做的事情是分配一個(gè)新的m_buf來(lái)保存tcp頭，并計(jì)算相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，在下一步的ip_output中，同樣也要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)路由選擇。最終ether_output將通過(guò)if_start來(lái)調(diào)用具體的硬件驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成數(shù)據(jù)發(fā)送。在某個(gè)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)中，ex_start將負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核的m_buf緩沖復(fù)制進(jìn)硬件自己的緩沖區(qū)，以完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作。在這整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)被復(fù)制兩次，并且也被遍歷兩次（計(jì)算校驗(yàn)碼），這也是主要的影響效率的地方。
再來(lái)討論右邊的輸入，當(dāng)網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)時(shí)，中斷處理程序ex_intr將被調(diào)用。驅(qū)動(dòng)通過(guò)ex_rx_intr將數(shù)據(jù)從硬件緩沖復(fù)制進(jìn)m_buf數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并調(diào)用ether_input來(lái)進(jìn)一步處理。ether_input通過(guò)ether_demux進(jìn)行分用。如果是一個(gè)Ip包，將通過(guò)軟中斷調(diào)用ip_fastforward進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，并判斷是否要轉(zhuǎn)發(fā)，如果失敗，將進(jìn)行ip_input進(jìn)行完整的處理。在in_input中，同樣要判斷是否要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果不用，調(diào)用tcp_input進(jìn)行進(jìn)一步處理。在tcp_input中，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和驗(yàn)證后，有一個(gè)叫做首部預(yù)測(cè)算法的優(yōu)化，可以加快數(shù)據(jù)處理速度。進(jìn)行完所有的操作后，如果是用戶數(shù)據(jù)，將喚醒用戶進(jìn)程進(jìn)行處理。同理，用戶可以使用多個(gè)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，而soreceive將負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從m_buf轉(zhuǎn)移至用戶進(jìn)程緩沖。
可以看出，在FreeBSD中，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，所進(jìn)行的操作差不多，都要進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)復(fù)制和兩次數(shù)據(jù)遍歷，這也是***的影響效率的地方。兩次數(shù)據(jù)復(fù)制似乎無(wú)可避免，下面我們來(lái)看看Linux是怎么做的。
可以看到，在LINUX上的實(shí)現(xiàn)稍顯復(fù)雜。讓我們首先從發(fā)送開(kāi)始分析。在LINUX上，socket被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)文件系統(tǒng)，這樣可以通過(guò)vfs的write來(lái)調(diào)用，也可以直接使用send來(lái)調(diào)用，它們最終都是調(diào)用sock_sendmsg。Sock_sendmsg通過(guò)它的內(nèi)核版本__sock_sendmsg直接調(diào)用tcp_sendmsg來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。在tcp_sendmsg中，同時(shí)完成數(shù)據(jù)復(fù)雜和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，這樣節(jié)省了一次遍歷操作，這也是和FreeBSD不同的地方。Linux使用skb結(jié)構(gòu)來(lái)管理數(shù)據(jù)緩沖，這和FreeBSD的m_buf大同小異。當(dāng)復(fù)制完數(shù)據(jù)后，使用tcp_push來(lái)進(jìn)行下一步發(fā)送。Tcp_push通過(guò)__tcp_push_pending_frames來(lái)調(diào)用tcp_write_xmit將數(shù)據(jù)填入tcp的發(fā)送緩沖區(qū)。這里的填充僅是指針引用而已。下一步，tcp_transmit_skb將數(shù)據(jù)放入IP的發(fā)送隊(duì)列。Ip_queue_xmit函數(shù)完成IP包頭的設(shè)置以及數(shù)據(jù)效驗(yàn)，并調(diào)用ip_output進(jìn)入下一步發(fā)送。如果不用分片，將使用ip_finish_output繼續(xù)發(fā)送。在這里，填充數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)包頭后調(diào)用dev_queue_xmit函數(shù)來(lái)進(jìn)一步處理。Dev_queue_xmit函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至網(wǎng)絡(luò)核心層的待發(fā)送隊(duì)列，調(diào)用具體的驅(qū)動(dòng)程序cp_start_xmit來(lái)完成數(shù)據(jù)的最終發(fā)送。***的cp_start_xmit做的事情和freebsd的相應(yīng)函數(shù)差不多，檢查數(shù)據(jù)，并復(fù)制進(jìn)硬件緩沖。
當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，網(wǎng)卡會(huì)產(chǎn)生中斷，這樣網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的cp_interrupt會(huì)被調(diào)用。cp_interrupt做的事情很少，只進(jìn)行必要的檢查后就返回了，更多的事情通過(guò)cp_rx_poll來(lái)完成，cp_rx_poll在軟中斷中被調(diào)用，這樣做是為了提高驅(qū)動(dòng)的處理效率。Cp_rx_poll做的事情主要就是把申請(qǐng)并將數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)一個(gè)skb緩沖中。netif_rx函數(shù)將數(shù)據(jù)從這個(gè)隊(duì)列中轉(zhuǎn)移至網(wǎng)絡(luò)核心層隊(duì)列中，netif_receive_skb從這里接收數(shù)據(jù)，調(diào)用ip_rcv來(lái)處理。Ip_rc和ip_rcv_finish一起檢查數(shù)據(jù)，得到包的路由，并調(diào)用相應(yīng)的input函數(shù)來(lái)完成路由，在這里就是ip_local_deliver，ip_local_deliver完成IP包的重組后，使用ip_local_deliver_finish來(lái)進(jìn)入tcp的處理流程，tcp_v4_rcv完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及一些簡(jiǎn)單的檢查，主要的工作在tcp_v4_do_rcv中完成。tcp_v4_do_rcv先判斷是否正常的用戶數(shù)據(jù)，如果是則用tcp_rcv_established處理，否則用tcp_rcv_state_process來(lái)更新連接的狀態(tài)機(jī)。tcp_rcv_established中同樣有首部預(yù)測(cè)。如果一切順便，將喚醒等待在tcp_recvmsg中的用戶進(jìn)程。后者將數(shù)據(jù)從skb緩沖中復(fù)制進(jìn)用戶進(jìn)程緩沖。并進(jìn)行逐級(jí)返回。
通過(guò)以上分析不難看出，Linux的代碼比較混亂，可讀性沒(méi)有FreeBSD的好，比如說(shuō)，Linux省略了以太網(wǎng)層，而且在接收數(shù)據(jù)中有多次異步操作，也許這將會(huì)影響內(nèi)核的穩(wěn)定性，F(xiàn)reeBSD的代碼就比較清晰，程序處理一目了然，可讀性也高，最穩(wěn)定的操作系統(tǒng)名不虛傳。這也可以從兩個(gè)操作系統(tǒng)的起源得到解釋。Linux起源于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，由眾多愛(ài)好者一起完成，并沒(méi)有一個(gè)完整的規(guī)劃，代碼也多次經(jīng)過(guò)變動(dòng)，而作者水平也參次不齊，造成現(xiàn)在的樣子。而FreeBSD系出名門，一直由一個(gè)獨(dú)立的小組進(jìn)行維護(hù)，多年來(lái)更新不大，只有少許優(yōu)化，所以代碼的可讀性非常高。但從另一方面講，不斷更新的Linux在代碼方面比較激進(jìn)，比如Linux使用skb緩沖效率要較FreeBSD使用的m_buf為高，這里限于篇幅，就不再具體分析了。而且linux發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在復(fù)制數(shù)據(jù)的同時(shí)完成的tcp的效驗(yàn)，這樣就節(jié)省了一次數(shù)據(jù)的遍歷操作。也提高了效率。
通過(guò)以上比較我們不難得出結(jié)論，如果效率為先，則Linux當(dāng)為首推，如果穩(wěn)定至上，F(xiàn)reeBSD應(yīng)該為不二之選。不過(guò)，這兩個(gè)操作系統(tǒng)都是非常優(yōu)秀并久經(jīng)考驗(yàn)，之間的差別也僅存于字面分析上。無(wú)論選擇哪個(gè)，都不會(huì)讓您后悔，不是嗎？
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