今天給大家介紹Linux網絡技術中最核心的部分--TCP/IP協議棧 。       

我們先看一下抽象的網絡協議棧模型

TCP/IP四層（參考）模型

再按分層思想看Linux內核協議棧實現框架

自頂向下

Socket/ L4 TCP layer

1. socket layer

socket對象層次結構

socket框架

•  socket系統調用（socket，bind，listen，accept，send，recv等）
•  BSD socket API
•  協議棧sock抽象適配層
•  tcp/udp/icmp/raw/packet/netlink/... socket管理
•  socket選項

2. tcp/udp layer

•  TCP報文收發
•  TCP Socket連接管理
•  TCP協議狀態機，定時器處理
•  TCP滑動窗口，擁塞控制框架

L3 IP layer

1. IP handle

•  報文分片和重組
•  IP協議字段處理，IP選項，Qos，TTL，校驗等處理
•  報文接收（解封裝）和發送(IP協議封裝，提供給上層接口）
•  組播，ICMP協議處理等

2. netlfilter框架

5個HOOK點：

PREROUTING：數據包進入路由表之前

INPUT：通過路由表后目的地為本機

FORWARD：通過路由表后，目的地不為本機

OUTPUT：由本機產生，向外發送

POSTROUTIONG：發送到網卡接口之前。

每個HOOK點都會執行一些函數，大致分為下面幾個表：

NAT表: 用于實現nat功能，端口映射，地址映射等

mangle表: 用來修改報文，例如更改IP標頭的TOS / DSCP / ECN位

filter表：用來過濾報文

raw表：用來提前標記報文不走一些流程（比如不需要建會話)

conntrack表：連接跟蹤表，跟蹤連接會話，用來實現狀態防火墻，NAT功能的基礎，可擴展更多功能。

核心處理流程

主要功能

•  無狀態數據包過濾（IPv4和IPv6）
•  有狀態的數據包過濾（IPv4和IPv6）
•  各種網絡地址和端口轉換，例如NAT / NAPT（IPv4和IPv6）
•  靈活可擴展的基礎架構
•  第三方擴展的API

3. 路由系統

協議棧處理位置

路由子系統架構

•  FIB（The Forwarding Information Base ）
•  策略路由 Policies
•  路由匹配HASH，LC-tries等

主要功能

    三層路由轉發

4. 鄰居系統

•  ARP協議(IPV4),NDP協議（IPV6)
•  鄰居表新建，更新，老化機制，狀態轉化等
•  API接口

主要功能

•  獲取mac地址

L2 link layer(driver)

1. Link layer

Bridge

•  FDB(macforwarding database)管理
•  port，bridge對象管理和報文接收，轉發
•  STP，vlan協議相關處理

主要功能

•  實現二層mac轉發

鏈路協議

•  IEEE 802協議族（STP，VLAN，以太網，無線wifi，令牌環等）

Packt Type

•  Protocol handler
•  Packet_type list

主要功能

•  鏈路層報文協議分發

Traffic control

•   qdisc ：通過隊列將數據包緩存起來，用來控制網絡收發的速度
•  class ：用來表示控制策略
•  filter ：用來將數據包劃分到具體的控制策略

主要功能

•  提供的流量限速、整形和策略控制機制（Qos）

2. hardware driver layer

•  網絡設備管理
•  RPS,RFS,XPS,GRO,GSO,TSO等優化特性
•  網卡軟中斷收發，NAPI，DMA
•  支持各種網卡驅動實現

協議棧文件系統

Proc FileSystem

•  /proc/net
•  /proc/sys/net

           ipv4

           core

Sys FileSystem

•  /sys/class/net/ethx

主要功能

•  提供協議棧相關配置查詢和設置

最后

整體架構圖