深度解析：Linux网络处理流程全面剖析(linux网络处理流程)

在计算机网络中，传输层协议是整个网络通信的关键。Linux作为开源的操作系统，其底层网络处理的流程被广泛使用于大型网络系统中。本文将对Linux网络处理流程进行全面剖析，深入解析Linux传输协议的实现原理和网络性能的优化方式。

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一、Linux网络处理流程

在Linux操作系统中，每一个网络数据包在接入系统后，经过了如下若干步骤的处理流程。

1.硬件层接收

接收数据包，Linux的网卡驱动程序通过硬件控制接收数据，将网络数据包送到内核空间中。

2.数据报协议处理

接着，内核会按照套接字类型和IPv4/IPv6协议类型进行链路层头和数据报头的解析。检查当前的协议类型，确定TCP、UDP等4层协议的类型。

3.路由查找

针对Linux系统中路由表的查找，为了找到一个可以发送给对端的下一跳IP。内核通过路由表中的规则，设置路由缓存项，并根据缓存项中的信息，查找更佳的路由规则。

4.发送队列

接下来，内核会先将网络数据包放置到发送队列中，等待后续操作进行TCP分段及IP分片的处理操作。

5.协议处理

根据套接字的类型和协议类型，确定4层协议中的处理方式，在这个过程中需要进行QoS等一系列的协议处理。

6.数据索引

内核根据不同的协议，将不同的数据报放入对应的索引表中，同时进行相关的统计操作。

7.发送到网络

内核将经过协议和数据索引处理的数据报从发送队列中取出，使用网卡驱动程序将其与网络接口进行关联，并在硬件层面发送出去。

二、Linux传输协议实现

在传输层协议中，TCP和UDP协议是最常用的两种协议。Linux系统中的TCP实现细节如下：

1.底层实现

Linux内核在TCP协议的实现中采用了一种称为“slow start”的流量控制技术，同时还支持立即启用快速重传和快速恢复技术，保证了网络数据传输的可靠性和高效性。

2.内存管理

TCP协议实现中使用了一种叫做“Slab”的内存管理技术，将多个同类型对象分配在同一个页面中，在对象数量增长时，可避免内存碎片和浪费。同时，Linux内核还支持队列控制和缓存分配策略，实现TCP传输过程中的网络性能优化。

3.消息队列

Linux内核使用一种称为“Sk_buff”的结构，将收到的TCP数据包或数据段存储在消息队列中，在满足接收条件后可以将其送回用户空间。

4.状态机

Linux TCP协议中的状态机通过使用“syn cookie”技术可避免拒绝服务攻击。同时也支持流媒体、HTTP、FTP等各种协议类型的处理方式。

三、Linux网络性能优化

Linux系统作为性能杰出的操作系统，为了优化网络性能，需要从下列几个方面入手：

1.系统内存管理

优化内存布局、采用高效的缓存机制、提高页面转换速度、合理使用hugepage等技术能显著提高系统性能和吞吐量。

2.队列长度

Linux系统维护的内核队列长度影响了系统吞吐量，优化此处可以提高系统的网络性能。

3.中断处理

针对高速率下的中断处理，需要采用减少处理量，采用中断共享策略，采用中断推迟等策略。

4.路由表

Linux系统中路由表更新也会影响网络传输速度，为了保证路由表的正确性和稳定性，需要采用优化方法。

结语

经过以上深度解析，我们了解了Linux网络处理流程全面剖析。Linux底层处理数据时，需要从硬件接收，协议处理，路由查找，发送队列，协议处理，数据索引，最后发送到网络等多方面入手，通过详细的介绍，我们可以运用Linux系统优化方法提高数据传输速度和性能，达到更好的用户体验和服务质量。

相关问题拓展阅读：

• 网络收发过程中，缓冲区位置在哪里？

网络收发过程中，缓冲区位置在哪里？

在 关于 Linux 网络，你必须要知道这些 中，我曾介绍过 Linux 网络的收发流程。这个流程涉及到了多个队列和缓冲区，包括：

不过相应的，就会有两个问题。

首先，这些缓冲区的位置在哪儿？是在网卡硬件中，还是在内存中？这个问题其实仔细想一下，就很容易明白——这些缓冲区都处于内核管理的内存中。

其中，环形缓冲区，由于需要 DMA 与网卡交互，理应属于网卡设备驱动的范围。

sk_buff 缓冲区，是一个维护网络帧结构的双向链表，链表中的每一个元素都是一个网络帧（Packet）。虽然 TCP/IP 协议栈分了好几层，但上下不同层之间的传递，实际上只需要操作这个数据结构中的指针，而无需进行数据复制。

套接字缓冲区，则允许应用程序，给每个套接字配置不同大小的接收或发送缓冲区。应用程序发送数据，实际上就是将数据写入缓冲区；而接收数据，其实就是从缓冲区中读取。至于缓冲区中数据的进一步处理，则由传输层的 TCP 或 UDP 协议来完成。

其次，这些缓冲区，跟前面内存部分讲到的 Buffer 和 Cache 有什么关联吗？

这个问题其实也不难回答。我在内存模块曾提到过，内存中提到的 Buffer ，都跟块设备直接相关；而其他的都是 Cache。

实际上，sk_buff、套接字缓冲、连接跟踪等，都通过 slab 分配器来管理。你可以直接通过 /proc/slabinfo，来查看它们占用的内存大小。

第二个问题，内核协议栈的运行，是按照一个内核线程的方式吗？在内核中，又是如何执行网络协议栈的呢？

说到网络收发，在中断处理文章中我曾讲过，其中的软中断处理，就有专门的内核线程 ksoftirqd。每个 CPU 都会绑定一个 ksoftirqd 内核线程，比如， 2 个 CPU 时，就会有 ksoftirqd/0 和 ksoftirqd/1 这两个内核线程。

不过要注意，并非所有网络功能，都在软中断内核线程中处理。内核中还有很多其他机制（比如硬中断、kworker、slab 等），这些机制一起协同工作，才能保证整个网络协议栈的正常运行。

我们知道，无论 TCP 还是 UDP，端口号都只占 16 位，也就说其更大值也只有 65535。那是不是说，如果使用 TCP 协议，在单台机器、单个 IP 地址时，并发连接数更大也只有呢？

对于这个问题，首凯芦早先你要知道，Linux 协议栈，通过五元组来标志一个连接（即协议，源 IP、源端口、目的 IP、目的端口)。

明白了这一点，这个问题其实就有了思路。我们应该分客户端和服务器端，这两种场景来分析。

对客户端来说，每次发起 TCP 连接请求时，都需要分配一个空闲的本地端口，去连哗拿接远端的服务器。由于这个本地端口是独占的，所以客户端最多只能发起个连接。

对服务器端来说，其通常监听在固定端口上（比如 80 端口），等待客户端的连接。根据五元组结构，我们知道，客户端的 IP 和端口都是可变的。如果不考虑 IP 地址分类以及资源限制，服务器端盯雀的理论更大连接数，可以达到 2 的 48 次方（IP 为 32 位，端口号为 16 位），远大于 65535。

所以，综合来看，客户端更大支持个连接，而服务器端可支持的连接数是海量的。当然，由于 Linux 协议栈本身的性能，以及各种物理和软件的资源限制等，这么大的连接数，还是远远达不到的（实际上，C10M 就已经很难了）。

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