操作系统内核和网络协议栈在哪里重叠？

Posted 2023-03-23

【中文标题】操作系统内核和网络协议栈在哪里重叠？

【英文标题】：Where OS Kernel and Network protocol stack overlaps?

【发布时间】：2022-01-15 02:38:59

【问题描述】：

我正在尝试与 linux 一起学习网络协议栈（即传输、IP、数据链路层库代码实现）。我很困惑从哪里开始。

第一个问题是这些代码是否作为 linux 内核/库层之上的内置功能提供。 如果是这样，为什么我可以在某些应用程序中看到第 3 方协议栈（由 blunk 微系统 - 协议栈开发者提供） 如果 Linux 没有它作为核心功能，那么 linux 是否只为网络部分提供占位符（例如仅使用宏来启用 3rd 方堆栈）。但是一篇文章说它有 Net4 网络代码库。 如果 linux 具有内置网络功能，我需要通过哪些 linux 模块或从哪里开始？不只是从网络的角度来看，如果指导我在“代码级别”的各个方面（进程、内存、驱动程序）在 linux 中进行探索，那将会有所帮助。

注意：我很想编写自己的操作系统和协议栈，因此试图了解现有系统。

提前致谢！

【参考方案1】：

第一个问题是这些代码是否作为 linux 内核/库层之上的内置功能提供。

Linux 内核的网络堆栈最多包括第 4 层，即 TCP 和 UDP（嗯，内核 + 配置它所需的一组实用程序）。我认为DNS也在内核中，但我不太确定。 TLS 曾经是作为一个库实现的（我认为 OpenSSL 和 GnuTLS 是最常见的），但现在似乎也有内核部分（link.

请注意，某些 TCP 功能已卸载到网卡（硬件）。在高速 (1Gb+) 下，如果没有这些功能，您将无法获得完整的性能。

我不熟悉所有与 VoIP 相关的协议，但我认为它们是库，而不是内核。

如果是这样，为什么我可以在某些应用程序中看到第 3 方协议栈（由 blunk 微系统 - 协议栈开发者提供）

我相信原因是性能。如果您使用部分功能实现自定义堆栈，它可能更适合您的应用程序。还有一些高级功能和协议可能在内核本身中不可用。

如果 Linux 没有它作为核心功能，那么 linux 是否只为网络部分提供占位符（例如仅使用宏来启用 3rd 方堆栈）。但是一篇文章说它有 Net4 网络代码库。

有一个非常大的代码库

如果 linux 具有内置网络功能，我需要通过哪些 linux 模块或从哪里开始？不只是从网络的角度来看，如果引导我在“代码级别”的各个方面（进程、内存、驱动程序）在 linux 中进行探索，那将会有所帮助。

嗯，这是一个很好的问题，我认为没有一个简单的答案。根据我的经验，阅读代码是解决这个问题的唯一方法。然而，有些人试图在 LWN.net 上钓鱼以获取信息。

你可以从这里开始：include/net/

【参考方案2】：

第一个问题是这些代码是否作为 linux 内核/库层之上的内置功能提供。 如果 linux 具有内置网络功能，我需要通过哪些 linux 模块或从哪里开始？

您可以将协议栈视为一个库。 Linux 内核有一个在内核地址空间内运行并使用用户空间中不可用的内核 API：https://github.com/torvalds/linux/tree/master/net/ipv4

有很多关于 Linux 内核网络的深入书籍。阅读一本是很好理解的。

如果是这样，为什么我可以在某些应用程序中看到第 3 方协议栈（由 blunk 微系统 - 协议栈开发者提供）

零拷贝、低延迟和流式传输（处理 CPU-L1-cache-line 大小的块中的以太网数据包，而它还没有被完整地从线路中读取）网络一直是 Linux 内核网络堆栈的问题.由于这些原因，网络硬件制造商提供了他们自己的用户空间网络堆栈，即kernel bypass。

如今，MSG_ZEROCOPY 和 io_uring 的 Linux 内核网络堆栈越来越好。