Linux 网络概念介绍

网络模型

OSI 网络模型 VS TCP/IP 模型

Linux 网络概念介绍

Linux 实际按照 TCP/IP 模型,实现了网络协议栈。

Linux 网络栈

Linux 网络概念介绍

网络包在每一层的处理逻辑,都取决于各层采用的网络协议。处理过程就是不断拆包,封包的过程。

Linux 通用 IP 网络栈

Linux 网络概念介绍

我们从上到下来看这个网络栈,你可以发现,

  • 最上层的应用程序,需要通过系统调用,来跟套接字接口进行交互;
  • 套接字的下面,就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层;
  • 最底层,则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

Linux 网络收发流程

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。

Linux 网络概念介绍

网络包的发送流程了解网络包的接收流程后,就很容易理解网络包的发送流程。网络包的发送流程就是上图的右半部分,很容易发现,网络包的发送方向,正好跟接收方向相反。

  • 首先,应用程序调用 Socket API(比如 sendmsg)发送网络包。

  • 由于这是一个系统调用,所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。

  • 接下来,网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中,取出数据包;再按照 TCP/IP 栈,从上到下逐层处理。比如,传输层和网络层,分别为其增加 TCP 头和 IP 头,执行路由查找确认下一跳的 IP,并按照 MTU 大小进行分片。

  • 分片后的网络包,再送到网络接口层,进行物理地址寻址,以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾,放到发包队列中。这一切完成后,会有软中断通知驱动程序:发包队列中有新的网络帧需要发送。

  • 最后,驱动程序通过 DMA ,从发包队列中读出网络帧,并通过物理网卡把它发送出去。

性能指标

  • 带宽,表示链路的最大传输速率,单位通常为 b/s (比特 / 秒)。

  • 吞吐量,表示单位时间内成功传输的数据量,单位通常为 b/s(比特 / 秒)或者 B/s(字节 / 秒)。吞吐量受带宽限制,而吞吐量 / 带宽,也就是该网络的使用率。

  • 延时,表示从网络请求发出后,一直到收到远端响应,所需要的时间延迟。在不同场景中,这一指标可能会有不同含义。比如,它可以表示,建立连接需要的时间(比如 TCP 握手延时),或一个数据包往返所需的时间(比如 RTT)。

  • PPS,是 Packet Per Second(包 / 秒)的缩写,表示以网络包为单位的传输速率。PPS 通常用来评估网络的转发能力,比如硬件交换机,通常可以达到线性转发(即 PPS 可以达到或者接近理论最大值)。而基于 Linux 服务器的转发,则容易受网络包大小的影响。

除了这些指标,网络的可用性(网络能否正常通信)、并发连接数(TCP 连接数量)、丢包率(丢包百分比)、重传率(重新传输的网络包比例)等也是常用的性能指标。

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