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计算机网络基础八股文13

MaxWen 04-14 21:15 阅读 1

Linux 接收网络包的流程

网卡是计算机里的一个硬件,专门负责接收和发送网络包,当网卡接收到一个网络包后,会通过 DMA 技术,将网络包写入到指定的内存地址,也就是写入到 Ring Buffer ,这个是一个环形缓冲区,接着就会告诉操作系统这个网络包已经到达。

那应该怎么告诉操作系统这个网络包已经到达了呢?

最简单的一种方式就是触发中断,也就是每当网卡收到一个网络包,就触发一个中断告诉操作系统。

但是,这存在一个问题,在高性能网络场景下,网络包的数量会非常多,那么就会触发非常多的中断,要知道当 CPU 收到了中断,就会停下手里的事情,而去处理这些网络包,处理完毕后,才会回去继续其他事情,那么频繁地触发中断,则会导致 CPU 一直没完没了的处理中断,而导致其他任务可能无法继续前进,从而影响系统的整体效率。

所以为了解决频繁中断带来的性能开销,Linux 内核在 2.6 版本中引入了 NAPI 机制,它是混合「中断和轮询」的方式来接收网络包,它的核心概念就是不采用中断的方式读取数据,而是首先采用中断唤醒数据接收的服务程序,然后 poll 的方法来轮询数据。

因此,当有网络包到达时,会通过 DMA 技术,将网络包写入到指定的内存地址,接着网卡向 CPU 发起硬件中断,当 CPU 收到硬件中断请求后,根据中断表,调用已经注册的中断处理函数。

硬件中断处理函数会做如下的事情:

  • 需要先「暂时屏蔽中断」,表示已经知道内存中有数据了,告诉网卡下次再收到数据包直接写内存就可以了,不要再通知 CPU 了,这样可以提高效率,避免 CPU 不停的被中断。
  • 接着,发起「软中断」,然后恢复刚才屏蔽的中断。

至此,硬件中断处理函数的工作就已经完成。

硬件中断处理函数做的事情很少,主要耗时的工作都交给软中断处理函数了。

软中断的处理

内核中的 ksoftirqd 线程专门负责软中断的处理,当 ksoftirqd 内核线程收到软中断后,就会来轮询处理数据。

ksoftirqd 线程会从 Ring Buffer 中获取一个数据帧,用 sk_buff 表示,从而可以作为一个网络包交给网络协议栈进行逐层处理。

网络协议栈

首先,会先进入到网络接口层,在这一层会检查报文的合法性,如果不合法则丢弃,合法则会找出该网络包的上层协议的类型,比如是 IPv4,还是 IPv6,接着再去掉帧头和帧尾,然后交给网络层。

到了网络层,则取出 IP 包,判断网络包下一步的走向,比如是交给上层处理还是转发出去。当确认这个网络包要发送给本机后,就会从 IP 头里看看上一层协议的类型是 TCP 还是 UDP,接着去掉 IP 头,然后交给传输层。

传输层取出 TCP 头或 UDP 头,根据四元组「源 IP、源端口、目的 IP、目的端口」 作为标识,找出对应的 Socket,并把数据放到 Socket 的接收缓冲区。

最后,应用层程序调用 Socket 接口,将内核的 Socket 接收缓冲区的数据「拷贝」到应用层的缓冲区,然后唤醒用户进程。

至此,一个网络包的接收过程就已经结束了,你也可以从下图左边部分看到网络包接收的流程,右边部分刚好反过来,它是网络包发送的流程。

计算机网络基础八股文13_软中断

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