Linux TCP/IP协议栈，数据发送接收流程，TCP协议特色
http://network.51cto.com/art/201909/603780.htm
能够绝不夸张的说现现在的互联网是基于TCP/IP构建起来的网络。弄懂协议栈的原理，不管对调试网络IO性能仍是解决网络问题都是有很大帮助的。本片文章就带领你们来看看内核是如何控制网络数据流的。linux
- 做者：底层软件架构来源： 今日头条|2019-09-30 09:28
能够绝不夸张的说现现在的互联网是基于TCP/IP构建起来的网络。弄懂协议栈的原理，不管对调试网络IO性能仍是解决网络问题都是有很大帮助的。本片文章就带领你们来看看内核是如何控制网络数据流的。算法
TCP特色网络
咱们都很是清楚TCP协议设计的初衷，就是保证数据传输的快速，有序，无误。因此特色总结以下：架构
- 面向链接，能够用五元组来表示一条链接(远程ip，远程端口，本地ip，本地端口，传输层协议)。
- 数据是全双工的
- 数据是有序的，也就是接受的数据必定是按照发送时的顺序的。
- 流量控制，发送方能够经过接收方滑动窗口大小来动态调整发送数据的大小。
- 拥塞控制，发送方经过ACK的状态结合拥塞算法综合计算给出窗口大小。
了解完TCP特色字后，咱们就来真正的看看数据发送究竟是怎样的过程?socket
数据发送tcp
咱们首先来看张图：性能
上图展现的是数据流动的在硬件中的过程，下图展现的是数据在协议栈的过程：优化
整个过程分为三个大区域：用户区，内核区，设备。这里所说的设备就是网卡。流程以下：spa
- 用户应用程序调用write系统调用
- 确认文件描述符
- 拷贝数据到socket buffer中
- 建立tcp片断，计算checksum
- 添加IP头，执行ip路由，计算checksum
- 添加以太网协议头部，执行ARP
- 告诉网卡芯片要发送数据了
- 网卡从内存中获取数据发送，发送完成中断告诉CPU
数据接收设计
直接看硬件数据流图：
首先网卡把接收到的数据包写入到它的内存之中。而后对其进行校验，经过后发送到主机的主存之中。主存中的buffer是驱动分配好的，驱动会把分配好的buffer描述告诉网卡，若是没有足够的buffer接受网卡的数据包，网卡会将数据包丢弃。一旦数据包拷贝到主存完成，网卡会经过中断告知主机OS。
以后驱动会检查它是否能处理这个新的包。若是能处理，驱动会把数据包包装成OS认识的结构(linux sk_buffer)并推送到上层。 链路层接收到帧后检查经过的话会按照协议解帧并推送至IP层。
IP层会在解包以后根据包中包含的IP信息决定推送至上层仍是转发到其余IP。若是判断须要推送至上层，则会解掉IP包头并推送至TCP层。
TCP在解报以后会根据其四元组找到对应的TCB，以后经过TCP协议处理这个报文。在接收到报文后，会把报文加到接受报文，以后根据TCP的状态发送一个ACK给对端。
固然上述过程会受到NAT等等Netfilter的做用，这里不谈了，也没深研究过。固然为了性能，大牛们方方面面也作了不少努力，好比大到RDMA、DPDK等大的软硬件技术，小到zero-copy、checksum offload等;
总结
现代的软硬件TCP/IP协议栈单连接发送速率到1~2GiB/s彻底没有任何问题(通过实测)。若是你想探索更优秀的性能，你能够尝试RMDA等技术，他们经过绕过内核以减小拷贝等方式优化了性能，固然可能依赖硬件。
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