Linux网络内核概述

Linux网络栈

物理层(L1)：提供电信号和一些底层细节
数据链路层(L2)：处理端点间的数据传输，最常见的数据链层的标准是以太网，Linux以太网设备驱动运行在这一层
网络层(L3)：负责数据包转发和主机编址，Linux内核网络子系统中最常用的是IPv4和IPv6协议
传输层(L4): 完成节点间的数据发送，TCP和UDP是最常见的网络协议
应用层：应用层协议，比如http/https、ftp协议

Linux网络栈的本质

Linux内核协议栈任务就是将接收到的数据数据包从数据链路层(L2层,,网络设备驱动)传递给网络层(L3层,IPv4或者IPv6)，如果数据包的目的地是当前设备，Linux网络协议栈将数据包传递给传输层(L4层，同时是TCP/UDP);如果数据包需要转发，网络协议栈交给L2层进行传输。对于本设备需要发送的数据包，将从L4依次传递给L2，再有网络驱动程序进行传输，在传输节点可能会发生如下节点:

1.根据协议规则(如IPsec规则或者NAT规则)，可能需要对数据包进行修改
2.数据包可能会被丢弃
3.数据包可能导致设备发送错误消息
4.可能会对数据包进行分段
5.可能会对数据包进行重组
6.需要计算数据包的校验和

网络设备

混杂模式：在linux 网络协议栈实现中，有一个net_device表示设备的数据结构，其中有一个promsicuity字段，该字段值大于0，网络协议栈不会丢失那些目的地并非本地主机的数据包，这种模式就是混杂模式，通常该模式用户网络调试。
网络设备中的API：老的网络设备驱动是在中断模式下进行工作的，没接受一个数据包，就需要中断一次，大量实践表明这种中断模式在负载很高的情况下效率非常低下。为了解决这个问题引入了NAPI，当前几乎所有的Linux都支持这种技术，NAPI是在linux kernel 2.5/2.6引入，采用该NAPI，如果负载很高，网络设备驱动将以轮询模式工作，而不是中断模式工作，这就意味着不会再每次接受数据包时候触发中断，而是将数据包放到内核缓存区中，由kernel不断的轮询来取数据包
网络驱动的工作
- 数据包接受目的地为当前主机，将其传递给网络层(L3)，然后传递给传输层（L4)
- 传输当前主机发送出去的数据包或者转发当前主机接受的数据包
- 每个数据包不管是接受还是发送出去的，都需要路由子系统执行一次查找，根据查找结果来决定数据包的处理。
- 每个数据包在经过路由子系统之前会经过netfilter子系统的处理，netfilter子系统在网络栈中5个位置会注册回调函数，数据包经过netfileter的第一个回调函数处理，结果用verdict表示，这个值为NF_DROP，则数据包将会被丢弃；如果为NF_ACCEPT，则数据包继续传输到其他层。netfilter为用户态的iptables提供的基础的架构。
套接字缓冲区
- linux 网络内核使用sk_buff结构表示一个包含报头的入站(接受路径)或者出站(传输路径)的数据包。
- 使用skb时候必须遵循skb api，比如需要skb->data指针向前移动，必须通过skb_pull_inline或者skb_pull函数。要冲skb_buff中取回传输层报头，需要调用skb_transport_header函数，同样的，要取回网络层的报头，必须调用skb_network_header函数；取回数据链路层的报头，必须调用skb_mac_header函数，这三个方法都是入参都是skb_buff的结构体。
- 从物理层接收到数据包后，网络设备驱动会分配一个skb(通过netdev_alloc_skb函数)，在数据传输过程中，有时候需要丢失数据包则调用kfree_skb函数。skb_buff中的某些成员是有数据链路层决定的，比如IPv4数据包由14个字节的以太网报头、20到60个字节的IPv4报头、8个字节的UDPv4的报头，最后是数据包的有效载荷。每个skb_buffer的实例都包含了一个net_device的实例，对于接受到来的数据包，这个成员表示接受它的网络设备；对于发送出去的数据包，这个成员则表示发送它的网络设备。