Linux TCP/IP協議棧，數據發送接收流程，TCP協議特色
http://network.51cto.com/art/201909/603780.htm
能夠絕不誇張的說現現在的互聯網是基於TCP/IP構建起來的網絡。弄懂協議棧的原理，不管對調試網絡IO性能仍是解決網絡問題都是有很大幫助的。本片文章就帶領你們來看看內核是如何控制網絡數據流的。linux
- 做者：底層軟件架構來源： 今日頭條|2019-09-30 09:28
能夠絕不誇張的說現現在的互聯網是基於TCP/IP構建起來的網絡。弄懂協議棧的原理，不管對調試網絡IO性能仍是解決網絡問題都是有很大幫助的。本片文章就帶領你們來看看內核是如何控制網絡數據流的。算法
TCP特色網絡
咱們都很是清楚TCP協議設計的初衷，就是保證數據傳輸的快速，有序，無誤。因此特色總結以下：架構
- 面向鏈接，能夠用五元組來表示一條鏈接(遠程ip，遠程端口，本地ip，本地端口，傳輸層協議)。
- 數據是全雙工的
- 數據是有序的，也就是接受的數據必定是按照發送時的順序的。
- 流量控制，發送方能夠經過接收方滑動窗口大小來動態調整發送數據的大小。
- 擁塞控制，發送方經過ACK的狀態結合擁塞算法綜合計算給出窗口大小。
瞭解完TCP特色字後，咱們就來真正的看看數據發送究竟是怎樣的過程?socket
數據發送tcp
咱們首先來看張圖：性能
上圖展現的是數據流動的在硬件中的過程，下圖展現的是數據在協議棧的過程：優化
整個過程分爲三個大區域：用戶區，內核區，設備。這裏所說的設備就是網卡。流程以下：spa
- 用戶應用程序調用write系統調用
- 確認文件描述符
- 拷貝數據到socket buffer中
- 建立tcp片斷，計算checksum
- 添加IP頭，執行ip路由，計算checksum
- 添加以太網協議頭部，執行ARP
- 告訴網卡芯片要發送數據了
- 網卡從內存中獲取數據發送，發送完成中斷告訴CPU
數據接收設計
直接看硬件數據流圖：
首先網卡把接收到的數據包寫入到它的內存之中。而後對其進行校驗，經過後發送到主機的主存之中。主存中的buffer是驅動分配好的，驅動會把分配好的buffer描述告訴網卡，若是沒有足夠的buffer接受網卡的數據包，網卡會將數據包丟棄。一旦數據包拷貝到主存完成，網卡會經過中斷告知主機OS。
以後驅動會檢查它是否能處理這個新的包。若是能處理，驅動會把數據包包裝成OS認識的結構(linux sk_buffer)並推送到上層。 鏈路層接收到幀後檢查經過的話會按照協議解幀並推送至IP層。
IP層會在解包以後根據包中包含的IP信息決定推送至上層仍是轉發到其餘IP。若是判斷須要推送至上層，則會解掉IP包頭並推送至TCP層。
TCP在解報以後會根據其四元組找到對應的TCB，以後經過TCP協議處理這個報文。在接收到報文後，會把報文加到接受報文，以後根據TCP的狀態發送一個ACK給對端。
固然上述過程會受到NAT等等Netfilter的做用，這裏不談了，也沒深研究過。固然爲了性能，大牛們方方面面也作了不少努力，好比大到RDMA、DPDK等大的軟硬件技術，小到zero-copy、checksum offload等;
總結
現代的軟硬件TCP/IP協議棧單連接發送速率到1~2GiB/s徹底沒有任何問題(通過實測)。若是你想探索更優秀的性能，你能夠嘗試RMDA等技術，他們經過繞過內核以減小拷貝等方式優化了性能，固然可能依賴硬件。
【編輯推薦】