33 | 关于 Linux 网络，你必须知道这些（上）

倪朋飞

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该思维导图由 AI 生成，仅供参考

你好，我是倪朋飞。
前几节，我们一起学习了文件系统和磁盘 I/O 的工作原理，以及相应的性能分析和优化方法。接下来，我们将进入下一个重要模块—— Linux 的网络子系统。
由于网络处理的流程最复杂，跟我们前面讲到的进程调度、中断处理、内存管理以及 I/O 等都密不可分，所以，我把网络模块作为最后一个资源模块来讲解。
同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得越来越重要。
那么，Linux 网络又是怎么工作的呢？又有哪些指标衡量网络的性能呢？接下来的两篇文章，我将带你一起学习 Linux 网络的工作原理和性能指标。
网络模型说到网络，我想你肯定经常提起七层负载均衡、四层负载均衡，或者三层设备、二层设备等等。那么，这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢？
实际上，这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），简称为 OSI 网络模型。

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本文深入介绍了Linux网络的工作原理和性能指标。首先，作者解释了OSI网络模型和TCP/IP网络模型的关系，以及TCP/IP模型的四层结构。随后，详细解释了Linux通用IP网络栈的结构，包括应用程序、套接字、传输层、网络层、网络接口层和网卡驱动程序等组成部分。文章还阐述了Linux网络包的接收流程，包括网卡接收网络帧、中断处理程序分配内核数据结构、协议栈逐层处理网络帧等过程。另外，还介绍了网络包的发送流程，从应用程序调用Socket API发送网络包到驱动程序通过DMA发送网络帧。最后，鼓励读者思考自己对Linux网络的理解以及如何分析网络性能瓶颈。整体而言，本文对于想要深入了解Linux网络的读者具有很高的参考价值。

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渡渡鸟_linux
我结合网络上查阅的资料和文章中的内容，总结了下网卡收发报文的过程，不知道是否正确： 1. 内核分配一个主内存地址段（DMA缓冲区)，网卡设备可以在DMA缓冲区中读写数据 2. 当来了一个网络包，网卡将网络包写入DMA缓冲区，写完后通知CPU产生硬中断 3. 硬中断处理程序锁定当前DMA缓冲区，然后将网络包拷贝到另一块内存区，清空并解锁当前DMA缓冲区，然后通知软中断去处理网络包。 ----- 当发送数据包时，与上述相反。链路层将数据包封装完毕后，放入网卡的DMA缓冲区，并调用系统硬中断，通知网卡从缓冲区读取并发送数据。
作者回复: 对的
2019-03-07
9
94
安排
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。老师你好，上面的一段话有些疑问想请教一下。收包队列是属于哪里的存储空间，是属于物理内存吗，还是网卡中的存储空间，通过dma方式把数据放到收包队列，我猜这个收包队列是物理内存中的空间。这个收包队列是由内核管理的吧，也就是跟某一个进程的用户空间地址没关系？那sk_buf缓冲区又是哪里的存储空间，为什么还要把收包队列拷贝到这个缓冲区呢，这个缓冲区是协议栈维护的吗？也属于内核，跟进程的用户空间地址有关系吗？ socket的接收发送缓冲区是映射到进程的用户空间地址的吗？还是由协议栈为每个socket在内核中维护的缓冲区？还有上面说到的这些缓冲区跟cache和buf有什么关系？会被回收吗？内核协议栈的运行是通过一个内核线程的方式来运行的吗？是否可以看到这个线程的名字？
作者回复: 问题比较多，放到答疑篇里面统一回复吧
2019-02-26

31
Penn
中断不均，连接跟踪打满
作者回复: 嗯这是最常见的两个问题
2019-02-06
7
12
zhoufeng
老师好，一直不太明白skb_buff和sk_buff的区别，这两者有关系吗
作者回复: sk_buff一般是说内核数据接口，而 skb则是套接字缓存(socket buffer)
2019-04-10
2
8
饼子
遇到了程序分配大量链接，占用完程序最大打开文件数量，使用lsof 查看分析的
作者回复: 嗯嗯，文件数量或者连接数量都可以看到
2019-02-20

6
佳
使用InfiniBand网卡和InfiniBand交换机的时候， mtu如果配置65520的时候，通过http下载对象存储小文件比较慢，但是配置9000的时候大小文件都比较快。https://github.com/antirez/redis/issues/2385 Redis works very slow with MTU higher than packet size. 请问老师是什么原因
作者回复: MTU大小的问题都是分片和重组导致的。后面有案例讲到分析内核中网络协议栈的行为，你可以到时候试着分析下这种场景
2019-02-13

3
空空
老师过年好！曾经在Linux3.10测试netlink收发包效率，发现一个问题，正常情况下每收一个包大概需要10us，但是每隔8秒会出现一次收包时间30-50ms，就是因为固定间隔8秒会出现一次收包时间过长，导致收包效率降低。请教一下老师每隔8秒系统会做什么？或者是因为什么系统配置？希望老师解答一下疑惑，谢谢！
作者回复: 这个不好说，后面有讲到延迟增大的分析思路，到时候可以分析看看
2019-02-08
2
3
道无涯
本机有两张网卡，如果路由配成第二张网卡也走第一张网卡，会不会导致第二张网络收不到数据？
作者回复: 收包取决于机器外部的路由（比如交换机和路由器），机器内部的配置可能会影响回包路径
2019-02-06

3
威
老师您好，请问最后一张图下方的两个大圈圈代表的是什么意思，是代表loop吗
作者回复: ring buffer
2019-02-06
2
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Geek_33409b
系统出口带宽被打满，导致大量请求超时
作者回复: DDoS 😊
2019-02-06

3

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