network stack

2021-05-12

Network stack

网络子系统是 kernel 最大的子系统，被叫做 stack 是因为由多种协议组成， 每一个协议构建在上一个协议之上。

layer of network stack

网络协议的层级定义可以通过 OSI model 或者 TCP/IP stack。 当用户数据传输到网络层后，这些数据将被封装成协议：数据传递到协议层后，会在数据的头和尾带上额外的描述数据。 这样即使某些数据丢失或者传输过程中包的顺序打乱了，接收者能够根据这些额外的数据重建原始信息。

网络的每一层都有自己的职责，所有它们不关心更高层协议。 例如：IP 允许发送数据通过多个网络和路由器，它可以重组数据包，但是不保证数据的可靠性， 可靠性由 TCP 协议来保证。它们都可以传输原始数据，编码和压缩依靠更上次的协议实现，如 HTTP。

网络子系统和块存储系统最大的不同是：网络是延迟敏感的，所有 写/读 数据不能被延迟。 这也就是说，发送和读取数据通常在同一个线程上下文中。

网络栈在 unix 系统中大体上被划分为三个主要的层：

• Socket layer
• Intermediate protocol：IP，UDP，TCP，packet filters
• Media Access Control (MAC)

Ring buffer

网络被设计为发送巨量数据，所以如果是显示的发送每一次写的数据这种方式是低效的。 NIC 和 驱动程序通过维护一个 shared ring buffer 来代替单独的包处理。 驱动程序写数据到 ring buffer，NIC 网卡通过 DMA(direct memory access)来读取数据。 ring buffer 存在两个指针，head 和 tail：

当驱动程序想通过队列方式传输数据时，它会将数据写入 ring buffer，然后更新 tail 指针。 当 NIC 发送数据时，会更新 head 指针。

sk_buff structure

linux 中一般通过 sk_buff 数据结构在各层中共享数据：

sk_buff 中存在两个指针：head 和 data 指针指向协议的头。 数据长度保存在 len 属性中，包的传输时间戳保存在 tstamp 属性中。 sk_buff 通过 next 和 prev 构建一个双向列表。 网络驱动设备通过 net_device 属性保存。 一个 socket 通过下述结构对来表示：

• socket 保存了通常的 socket 数据，包括文件指针指向 VFS 节点。
• sock 保存了网络相关的数据，本地地址保存在 skc_rcv_saddr 和 skc_num 中， 对方地址的保存在 skc_daddr 和 skc_dport。

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