Linux网络（网络模型和收发流程）

网络模型

　　为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，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。OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层，每个层负责不同的功能。其中，

1. 应用层，负责为应用程序提供统一的接口。
2. 表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式。
3. 会话层，负责维护计算机之间的通信连接。
4. 传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包。
5. 网络层，负责数据的路由和转发。
6. 数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。
7. 物理层，负责在物理网络中传输数据帧。

　　但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，

1. 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。
2. 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。
3. 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。
4. 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。

Linux网络收发流程

　　

接收流程

　　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。

　　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。比如，

• 在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（比如 IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
• 网络层取出 IP 头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型(比如 TCP 还是 UDP),去掉 IP 头,再交给传输层处理。
• 传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 > 四元组作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。

　　最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。为了更清晰表示这个流程，我画了一张图，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

发送流程

　　当应用程序要发送数据包时：　　

　　首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。

　　接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，

• 传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。
• 分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。
• 这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。

　　最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。