Linux 網(wǎng)絡(luò)硬核系列：TCP/IP 協(xié)議棧
今天給大家介紹Linux網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中最核心的部分--TCP/IP協(xié)議棧 。
我們先看一下抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模型
TCP/IP四層（參考）模型
再按分層思想看Linux內(nèi)核協(xié)議棧實現(xiàn)框架
自頂向下
Socket/ L4 TCP layer
1. socket layer
socket對象層次結(jié)構(gòu)
socket框架
- socket系統(tǒng)調(diào)用（socket，bind，listen，accept，send，recv等）
- BSD socket API
- 協(xié)議棧sock抽象適配層
- tcp/udp/icmp/raw/packet/netlink/... socket管理
- socket選項
2. tcp/udp layer
- TCP報文收發(fā)
- TCP Socket連接管理
- TCP協(xié)議狀態(tài)機，定時器處理
- TCP滑動窗口，擁塞控制框架
L3 IP layer
1. IP handle
- 報文分片和重組
- IP協(xié)議字段處理，IP選項，Qos，TTL，校驗等處理
- 報文接收（解封裝）和發(fā)送(IP協(xié)議封裝，提供給上層接口）
- 組播，ICMP協(xié)議處理等
2. netlfilter框架
5個HOOK點：
PREROUTING：數(shù)據(jù)包進入路由表之前
INPUT：通過路由表后目的地為本機
FORWARD：通過路由表后，目的地不為本機
OUTPUT：由本機產(chǎn)生，向外發(fā)送
POSTROUTIONG：發(fā)送到網(wǎng)卡接口之前。
每個HOOK點都會執(zhí)行一些函數(shù)，大致分為下面幾個表：
NAT表: 用于實現(xiàn)nat功能，端口映射，地址映射等
mangle表: 用來修改報文，例如更改IP標頭的TOS / DSCP / ECN位
filter表：用來過濾報文
raw表：用來提前標記報文不走一些流程（比如不需要建會話)
conntrack表：連接跟蹤表，跟蹤連接會話，用來實現(xiàn)狀態(tài)防火墻，NAT功能的基礎(chǔ)，可擴展更多功能。
核心處理流程
主要功能
- 無狀態(tài)數(shù)據(jù)包過濾（IPv4和IPv6）
- 有狀態(tài)的數(shù)據(jù)包過濾（IPv4和IPv6）
- 各種網(wǎng)絡(luò)地址和端口轉(zhuǎn)換，例如NAT / NAPT（IPv4和IPv6）
- 靈活可擴展的基礎(chǔ)架構(gòu)
- 第三方擴展的API
3. 路由系統(tǒng)
協(xié)議棧處理位置
路由子系統(tǒng)架構(gòu)
- FIB（The Forwarding Information Base ）
- 策略路由 Policies
- 路由匹配HASH，LC-tries等
主要功能
三層路由轉(zhuǎn)發(fā)
4. 鄰居系統(tǒng)
- ARP協(xié)議(IPV4),NDP協(xié)議（IPV6)
- 鄰居表新建，更新，老化機制，狀態(tài)轉(zhuǎn)化等
- API接口
主要功能
- 獲取mac地址
L2 link layer(driver)
1. Link layer
Bridge
- FDB(macforwarding database)管理
- port，bridge對象管理和報文接收，轉(zhuǎn)發(fā)
- STP，vlan協(xié)議相關(guān)處理
主要功能
- 實現(xiàn)二層mac轉(zhuǎn)發(fā)
鏈路協(xié)議
- IEEE 802協(xié)議族（STP，VLAN，以太網(wǎng)，無線wifi，令牌環(huán)等）
Packt Type
- Protocol handler
- Packet_type list
主要功能
- 鏈路層報文協(xié)議分發(fā)
Traffic control
- qdisc ：通過隊列將數(shù)據(jù)包緩存起來，用來控制網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的速度
- class ：用來表示控制策略
- filter ：用來將數(shù)據(jù)包劃分到具體的控制策略
主要功能
- 提供的流量限速、整形和策略控制機制（Qos）
2. hardware driver layer
- 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理
- RPS,RFS,XPS,GRO,GSO,TSO等優(yōu)化特性
- 網(wǎng)卡軟中斷收發(fā)，NAPI，DMA
- 支持各種網(wǎng)卡驅(qū)動實現(xiàn)
協(xié)議棧文件系統(tǒng)
Proc FileSystem
- /proc/net
- /proc/sys/net
ipv4
core
Sys FileSystem
- /sys/class/net/ethx
主要功能
- 提供協(xié)議棧相關(guān)配置查詢和設(shè)置
最后
整體架構(gòu)圖
