[转帖]Linux TCP/IP协议栈，数据发送接收流程，TCP协议特点

Posted 2022-12-12 jinanxiaolaohu

Linux TCP/IP协议栈，数据发送接收流程，TCP协议特点

http://network.51cto.com/art/201909/603780.htm

 

可以毫不夸张的说现如今的互联网是基于TCP/IP构建起来的网络。弄懂协议栈的原理，无论对调试网络IO性能还是解决网络问题都是有很大帮助的。本片文章就带领大家来看看内核是如何控制网络数据流的。

作者：底层软件架构来源：今日头条|2019-09-30 09:28

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可以毫不夸张的说现如今的互联网是基于TCP/IP构建起来的网络。弄懂协议栈的原理，无论对调试网络IO性能还是解决网络问题都是有很大帮助的。本片文章就带领大家来看看内核是如何控制网络数据流的。

TCP特点

我们都非常清楚TCP协议设计的初衷，就是保证数据传输的快速，有序，无误。所以特点总结如下：

1. 面向连接，可以用五元组来表示一条连接(远程ip，远程端口，本地ip，本地端口，传输层协议)。
2. 数据是全双工的
3. 数据是有序的，也就是接受的数据一定是按照发送时的顺序的。
4. 流量控制，发送方可以通过接收方滑动窗口大小来动态调整发送数据的大小。
5. 拥塞控制，发送方通过ACK的状态结合拥塞算法综合计算给出窗口大小。

了解完TCP特点字后，我们就来真正的看看数据发送到底是怎样的过程?

数据发送

我们首先来看张图：

上图展示的是数据流动的在硬件中的过程，下图展示的是数据在协议栈的过程：

整个过程分为三个大区域：用户区，内核区，设备。这里所说的设备就是网卡。流程如下：

1. 用户应用程序调用write系统调用
2. 确认文件描述符
3. 拷贝数据到socket buffer中
4. 创建tcp片段，计算checksum
5. 添加IP头，执行ip路由，计算checksum
6. 添加以太网协议头部，执行ARP
7. 告诉网卡芯片要发送数据了
8. 网卡从内存中获取数据发送，发送完成中断告诉CPU

数据接收

直接看硬件数据流图：

首先网卡把接收到的数据包写入到它的内存之中。然后对其进行校验，通过后发送到主机的主存之中。主存中的buffer是驱动分配好的，驱动会把分配好的buffer描述告诉网卡，如果没有足够的buffer接受网卡的数据包，网卡会将数据包丢弃。一旦数据包拷贝到主存完成，网卡会通过中断告知主机OS。

之后驱动会检查它是否能处理这个新的包。如果能处理，驱动会把数据包包装成OS认识的结构(linux sk_buffer)并推送到上层。 链路层接收到帧后检查通过的话会按照协议解帧并推送至IP层。

IP层会在解包之后根据包中包含的IP信息决定推送至上层还是转发到其他IP。如果判断需要推送至上层，则会解掉IP包头并推送至TCP层。

TCP在解报之后会根据其四元组找到对应的TCB，之后通过TCP协议处理这个报文。在接收到报文后，会把报文加到接受报文，之后根据TCP的状态发送一个ACK给对端。

当然上述过程会受到NAT等等Netfilter的作用，这里不谈了，也没深研究过。当然为了性能，大牛们方方面面也做了很多努力，比如大到RDMA、DPDK等大的软硬件技术，小到zero-copy、checksum offload等;

总结

现代的软硬件TCP/IP协议栈单链接发送速率到1~2GiB/s完全没有任何问题(经过实测)。如果你想探索更优秀的性能，你可以尝试RMDA等技术，他们通过绕过内核以减少拷贝等方式优化了性能，当然可能依赖硬件。

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