Linux TCP/IP協(xié)議棧，數據發(fā)送接收流程，TCP協(xié)議特點
可以毫不夸張的說現如今的互聯網是基于TCP/IP構建起來的網絡。弄懂協(xié)議棧的原理，無論對調試網絡IO性能還是解決網絡問題都是有很大幫助的。本片文章就帶領大家來看看內核是如何控制網絡數據流的。
TCP特點
我們都非常清楚TCP協(xié)議設計的初衷，就是保證數據傳輸的快速，有序，無誤。所以特點總結如下：
- 面向連接，可以用五元組來表示一條連接(遠程ip，遠程端口，本地ip，本地端口，傳輸層協(xié)議)。
- 數據是全雙工的
- 數據是有序的，也就是接受的數據一定是按照發(fā)送時的順序的。
- 流量控制，發(fā)送方可以通過接收方滑動窗口大小來動態(tài)調整發(fā)送數據的大小。
- 擁塞控制，發(fā)送方通過ACK的狀態(tài)結合擁塞算法綜合計算給出窗口大小。
了解完TCP特點字后，我們就來真正的看看數據發(fā)送到底是怎樣的過程?
數據發(fā)送
我們首先來看張圖：
上圖展示的是數據流動的在硬件中的過程，下圖展示的是數據在協(xié)議棧的過程：
整個過程分為三個大區(qū)域：用戶區(qū)，內核區(qū)，設備。這里所說的設備就是網卡。流程如下：
- 用戶應用程序調用write系統(tǒng)調用
- 確認文件描述符
- 拷貝數據到socket buffer中
- 創(chuàng)建tcp片段，計算checksum
- 添加IP頭，執(zhí)行ip路由，計算checksum
- 添加以太網協(xié)議頭部，執(zhí)行ARP
- 告訴網卡芯片要發(fā)送數據了
- 網卡從內存中獲取數據發(fā)送，發(fā)送完成中斷告訴CPU
數據接收
直接看硬件數據流圖：
首先網卡把接收到的數據包寫入到它的內存之中。然后對其進行校驗，通過后發(fā)送到主機的主存之中。主存中的buffer是驅動分配好的，驅動會把分配好的buffer描述告訴網卡，如果沒有足夠的buffer接受網卡的數據包，網卡會將數據包丟棄。一旦數據包拷貝到主存完成，網卡會通過中斷告知主機OS。
之后驅動會檢查它是否能處理這個新的包。如果能處理，驅動會把數據包包裝成OS認識的結構(linux sk_buffer)并推送到上層。 鏈路層接收到幀后檢查通過的話會按照協(xié)議解幀并推送至IP層。
IP層會在解包之后根據包中包含的IP信息決定推送至上層還是轉發(fā)到其他IP。如果判斷需要推送至上層，則會解掉IP包頭并推送至TCP層。
TCP在解報之后會根據其四元組找到對應的TCB，之后通過TCP協(xié)議處理這個報文。在接收到報文后，會把報文加到接受報文，之后根據TCP的狀態(tài)發(fā)送一個ACK給對端。
當然上述過程會受到NAT等等Netfilter的作用，這里不談了，也沒深研究過。當然為了性能，大牛們方方面面也做了很多努力，比如大到RDMA、DPDK等大的軟硬件技術，小到zero-copy、checksum offload等;
總結
現代的軟硬件TCP/IP協(xié)議棧單鏈接發(fā)送速率到1~2GiB/s完全沒有任何問題(經過實測)。如果你想探索更優(yōu)秀的性能，你可以嘗試RMDA等技術，他們通過繞過內核以減少拷貝等方式優(yōu)化了性能，當然可能依賴硬件。
