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ISO 设计一种参考模型#xff0c;定义组成网络的各个层#xff0c;该模型由7层组成#xff0c;称为OSI#xff08;开放 系统互连#xff09;模型如下#xff1a; 应用层#xff1a;网络服务与最终用户的接口#xff1b; 表示层#xff1a;数据的表示、安…套接字通信
ISO 设计一种参考模型定义组成网络的各个层该模型由7层组成称为OSI开放 系统互连模型如下 应用层网络服务与最终用户的接口 表示层数据的表示、安全及压缩格式jpeg,ascii等 传话层建立、管理及终止传话 传输层定义传输数据的协议商品以及流控和差错校验数据包一旦离开网卡进入网络传输层 网络层进行逻辑地址建起、实现不同网络之间的路由选择 数据链路层建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错检验等等这些功能由底层网络定义协议将比特组合成字节进而组合成帧用MAC地址访问介质错误发现但不能纠正。 物理层。。。
核心基本术语 (1) 数据帧Frame指起始点和目的点都是数据链路层的信息单元。 (2) 数据包Packet指起始点和目的地是网络层的信息单元。 (3) 数据报Datagram指起始点和目的地都使用无连接网络服务的网络层的信息单元。 (4) 段Segment指起始点和目的地都是传输层的信息单元。 (5) 消息Message指起始点和目的地都在网络层以上的信息单元经常在应用层。 (6) 元素Cell指的是一种固定长度的信息它的起始点和目的地都是数据链路层。元素通常用于异步传输模式ATM和交换多兆位数据服务SMDS网络等交换环境。 (7) 数据单元Data unit常用的数据单元有服务数据单元SDU、协议数据单元PDU。 (8) 数据帧帧数据由两部分组成帧头部和帧数据帧头部包括接收方主机物理地址的定位及其它网络信息帧数据区含有一个数据体。 (9) IP数据体由两个部分组成数据体头部和数据体的数据区数据体头部包括IP源地址和IP目标地址及其它信息数据体的数据区包括用户数据协议、传输控制协议还有数据包及其它信息。
各层执行任务 主机到网络层负责将信息从一台计算机传输到远程计算机。它处理传输介质的物理性质并将数据流划分为定长的帧以便在发生传输错误时重传数据块。假设几台电脑共享 同一传输线程网络接口卡必须有一个唯一的ID号MAC 地址。 IP 使用一定格式的地址来寻址计算机比如192.168.1.1这些地址由正式注册权威机构或提供者分配有时为动态的。
1、创建套接字 套接字不仅可以用于各种传输协议的IP连接也可以用于内核支持的所有其他地址和协议类型例如IPX、Appletalk、本地UNIX套接字还有在socket.h中列出的许多其他类型。 sockaddr 的缺陷是sa_data把目标地址和端口信息混在一起了
sa_family 是地址家族一般以”AF_xxx”形式存在通常为AF_INET代表TCP/IP协议簇sa_data 是14字节协议地址 4个字节的无符号整数IP地址2个字节的无符号整数端口号sa_data 之所以被定义成14个字节因为有的协议族使用较长的地址格式。
从 sockaddr 的定义中无法确定 IP 地址和端口号在这 14 个字节地址空间中的存放位置。因此进行参数传递时还需知道这14个字节的空间是如何利用即哪里放IP地址、哪里放端口号、哪里是空白。 于是在此基础上构造了sockaddr_in 的结构体。
/* Structure describing an Internet socket address. */
struct sockaddr_in
{__SOCKADDR_COMMON (sin_family); /* Address family */in_port_t sin_port; /* Port number. */struct in_addr sin_addr; /* Internet address. *//* Pad to size of struct sockaddr. */unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -__SOCKADDR_COMMON_SIZE -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)]; /* 字符数组sin_zero[8]的存在是为了保证结构体struct sockaddr_in的大小和结构体struct sockaddr的大小相等 */
};
typedef unsigned short int sa_family_t;
#define __SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \sa_family_t sa_prefix##family /*此为整型变量占2字节主要用于指明地址类型取值为AF_UNIX|AF_INET|AF_INET6|AF_PACKET等*/sin_family 指代协议族在 socket 编程中只能是 AF_INET sin_port 存储端口号(使用网络字节顺序) sin_addr 存储 IP 地址使用 in_addr 这个数据结构 sin_zero 是为了让 sockaddr 与 sockaddr_in 两个数据结构保持大小相同而保留的空字节。
2、使用套接字 如简单的并发服务器模型如下图所示。 在服务器端主程序提前构建多个子进程当客户端的请求到来的时候系统从进程池中选取一个子进程处理客户端的连接每个子进程处理一个客户端的请求在全部子进程的处理能力得到满足之前服务器的网络负载是基本不变的。
BSD网络软件中包含两个重要的函数inet_addrinet_ntoa。用来在二进制地址格式和点分十进制字符串格式之间转换仅支持IPv4。也有两个函数同时支持 IPv4 和 IPv6inet_ntop,inet_pton。
3、数据报套接字 UDP 是建立在 IP 连接之上的第二种广泛使用的传输协议。UDP 表示 User Datagram Protocol用户数据报协议。UDP通常用于视频会议、音频流及类似的服务。
UDP是面向分组的在发送数据之前无须建立显式的连接分组可以在传输期间丢失不保证数据的一定能够到达其目的地分组接收的次序不一定与发送的次序相同。
4、各协议层的数据划分为首部和数据 首部部分包含了与数据部分有关的元数据目标地址、长度、传输协议类型等 数据部分包含有用数据或净荷。 传输的基本单位是帧网卡以帧为单位发送数据。帧首部部分的主要数据项是目标系统的硬件地址这是数据传输的目的地通过电缆传输数据时也需要该数据项。 高层协议的数据在封闭到以太网帧时将协议产生的首部和数据元二组封装到帧的数据部分。
网络分层模型
内核网络子系统的实现与TCP/IP参考模型非常相似。相关的C语言代码划分为不同层次各层次都有明确定义的任务各个层次只能通过明确定义的接口与上下紧邻的层次通信。这种做法的好处在于可以组合使用各种设备、传输机制和协议。 Linux 网络核心架构分为三层用户空间的应用层内核空间的网络协议栈层物理硬件层。 其中最重要的核心是内核空间的协议格层。在整个栈按照严格分层设计思想可分为五层系统调用接口层–协议无关的接口层–网络协议实现层–驱动接口层–驱动程序层。
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Linux 内核网络栈涉及3层用 L2 L3 L4三层分别对应OSI数据链路层 网络层 传输层。 内核栈的任务就是将接收到的数据包从L2网络设备驱动程序传递给L3网络层通常为IPv4或IPv6接下来如果数据包目的地为当前设备Linux 内核网络栈就将其传递给 L4传输层应用 TCP 或 UDP 协议侦听套接字。如果数据包需要转发就将其交给 L2 进行传输。有可能产生数据包可能被丢失、可能需要重组数据包、需要计算数据包的检验和等等。
套接字缓冲区
在内核分析收到网络分组时底层协议的数据将传递到更高的层。发送数据时顺序相反各种协议产生的数据首部和净荷依次向更低的层传递直至最终发送。这些操作的速度对网络子系统的性能有决定性的影响因此内核使用一种特殊的结构称为套接字缓冲区socket buffer。
Socket Buffer 主要由两部分组成。 1、数据包存放了在网络中实际流通的数据。 2、管理数据结构struct sk_buff当在内核中对数据包进行时内核还需要一些其他的数据来管理数据包和操作数据包例如协议之间的交换信息数据的状态时间等。
Socket Buffer 有什么作用呢 struct sk_buff 数据结构中存放了套接字接收 / 发送的数据。 在发送数据时在套接字层创建了 Socket Buffer 缓冲区与管理数据结构存放来自应用程序的数据。 在接收数据包时Socket Buffer 则在网络设备的驱动程序中创建存放来自网络的数据。
在发送和接受数据的过程中各层协议的头信息会不断从数据包中插入和去掉sk_buff 结构中描述协议头信息的地址指针也会被不断地赋值和复位。
一个网络数据包它由双向链表构成sk_buff 结构表示一个包含报头的入站或出站数据包在内核中 sk_buff 表示SKB表示套接字缓冲区。这个结构体并不直接存储网络数据包而是存放了数据包的指针。 套接字缓冲区的基本思想是通过操作指针来增删协议首部。 head 和 end 指向数据在内存中的起始和结束位置 data 和 tail 指向协议数据区域的起始和结束位置 mac_header 指向 MAC 协议首部的起始 而 network_header 和 transport_header 分别指向网络层和传输层协议首部的起始。 在套接字缓冲区传递到互联网层时必须增加一个新层。只需要向已经分配但尚未占用的那部分内存空间定稿的数据即可除了 data 之外所有的指针都不变data 现在指向 IP 首部的起始处。 对接收分组进行分析过程类似分组数据复制到内核分配的一个内存区中并在整个分析期间一直处于该内存区中。与该分组关联的套接字缓冲区在各层之间顺序传递。 如果是从 L4 传输到 L2则是通过往sk_buff结构体中增加该层协议头来操作如果是从L4到L2则是通过移动sk_buff结构体中的data指针来实现不会删除各层协议头。 这样做可以提高CPU的工作效率
net_device 网络设备
net_device 结构体存储着网络设备的所有信息每个设备都有这种结构。所有设备的 net_device 结构放在一个全局变量dev_base所有全局列表中。 和 sk_buff 一样整体结构相当庞大的。结构体中有一个 next 指针用来连接系统中所有网络设备。内核把这些连接起来的设备组成一个链表并由全局变量 dev_base 指向链表的第一个元素。
struct net_device {/* 设备名称如eth0 */char name[IFNAMSIZ];/* 名称hash */struct hlist_node name_hlist;char *ifalias;/** I/O specific fields* FIXME: Merge these and struct ifmap into one*//*描述设备所用的共享内存用于设备与内核沟通其初始化和访问只会在设备驱动程序内进行*/unsigned long mem_end;unsigned long mem_start;/* 设备自有内存映射到I/O内存的起始地址 */unsigned long base_addr;/*设备与内核对话的中断编号此值可由多个设备共享驱动程序使用request_irq函数分配此变量使用free_irq予以释放*/int irq;/* 侦测网络状态的改变次数 */atomic_t carrier_changes;/** Some hardware also needs these fields (state,dev_list,* napi_list,unreg_list,close_list) but they are not* part of the usual set specified in Space.c.*//*网络队列子系统使用的一组标识由__LINK_STATE_xxx标识*/unsigned long state;struct list_head dev_list;struct list_head napi_list;struct list_head unreg_list;struct list_head close_list;/* 当前设备所有协议的链表 */struct list_head ptype_all;/* 当前设备特定协议的链表 */struct list_head ptype_specific;struct {struct list_head upper;struct list_head lower;} adj_list;/*用于存在其他一些设备功能可报告适配卡的功能以便与CPU通信使用NETIF_F_XXX标识功能特性*/netdev_features_t features;netdev_features_t hw_features;netdev_features_t wanted_features;netdev_features_t vlan_features;netdev_features_t hw_enc_features;netdev_features_t mpls_features;netdev_features_t gso_partial_features;/* 网络设备索引号 */int ifindex;/* 设备组默认都属于0组 */int group;struct net_device_stats stats;atomic_long_t rx_dropped;atomic_long_t tx_dropped;atomic_long_t rx_nohandler;#ifdef CONFIG_WIRELESS_EXTconst struct iw_handler_def *wireless_handlers;struct iw_public_data *wireless_data;
#endif/* 设备操作接口 */const struct net_device_ops *netdev_ops;/* ethtool操作接口 */const struct ethtool_ops *ethtool_ops;
#ifdef CONFIG_NET_SWITCHDEVconst struct switchdev_ops *switchdev_ops;
#endif
#ifdef CONFIG_NET_L3_MASTER_DEVconst struct l3mdev_ops *l3mdev_ops;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)const struct ndisc_ops *ndisc_ops;
#endif#ifdef CONFIG_XFRMconst struct xfrmdev_ops *xfrmdev_ops;
#endif/* 头部一些操作如链路层缓存校验等 */const struct header_ops *header_ops;/* 标识接口特性IFF_XXX如IFF_UP */unsigned int flags;/*用于存储用户空间不可见的标识由VLAN和Bridge虚拟设备使用*/unsigned int priv_flags;/* 几乎不使用为了兼容保留 */unsigned short gflags;/* 结构对齐填充 */unsigned short padded;/* 与interface group mib中的IfOperStatus相关 */unsigned char operstate;unsigned char link_mode;/*接口使用的端口类型*/unsigned char if_port;/*设备使用的DMA通道并非所有设备都可以用DMA有些总线不支持DMA*/unsigned char dma;/*最大传输单元标识设备能处理帧的最大尺寸Ethernet-1500*/unsigned int mtu;/* 最小mtuEthernet-68 */unsigned int min_mtu;/* 最大mutEthernet-65535 */unsigned int max_mtu;/* 设备所属类型ARP模块中用type判断接口的硬件地址类型以太网接口为ARPHRD_ETHER*/unsigned short type;/*设备头部长度Ethernet报头是ETH_HLEN14字节*/unsigned short hard_header_len;unsigned char min_header_len;/* 必须的头部空间 */unsigned short needed_headroom;unsigned short needed_tailroom;/* Interface address info. *//* 硬件地址通常在初始化过程中从硬件读取 */unsigned char perm_addr[MAX_ADDR_LEN];unsigned char addr_assign_type;/* 硬件地址长度 */unsigned char addr_len;unsigned short neigh_priv_len;unsigned short dev_id;unsigned short dev_port;spinlock_t addr_list_lock;/* 设备名赋值类型如NET_NAME_UNKNOWN */unsigned char name_assign_type;bool uc_promisc;struct netdev_hw_addr_list uc;struct netdev_hw_addr_list mc;struct netdev_hw_addr_list dev_addrs;#ifdef CONFIG_SYSFSstruct kset *queues_kset;
#endif/* 混杂模式开启数量 */unsigned int promiscuity;/* 非零值时设备监听所有多播地址 */unsigned int allmulti;/* Protocol-specific pointers */
/* 特定协议的指针 */
#if IS_ENABLED(CONFIG_VLAN_8021Q)struct vlan_info __rcu *vlan_info;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_NET_DSA)struct dsa_switch_tree *dsa_ptr;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_TIPC)struct tipc_bearer __rcu *tipc_ptr;
#endifvoid *atalk_ptr;/* ip指向in_device结构 */struct in_device __rcu *ip_ptr;struct dn_dev __rcu *dn_ptr;struct inet6_dev __rcu *ip6_ptr;void *ax25_ptr;struct wireless_dev *ieee80211_ptr;struct wpan_dev *ieee802154_ptr;
#if IS_ENABLED(CONFIG_MPLS_ROUTING)struct mpls_dev __rcu *mpls_ptr;
#endif/** Cache lines mostly used on receive path (including eth_type_trans())*//* Interface address info used in eth_type_trans() */unsigned char *dev_addr;#ifdef CONFIG_SYSFS/* 接收队列 */struct netdev_rx_queue *_rx;/* 接收队列数 */unsigned int num_rx_queues;unsigned int real_num_rx_queues;
#endifstruct bpf_prog __rcu *xdp_prog;unsigned long gro_flush_timeout;/* 如网桥等的收包回调 */rx_handler_func_t __rcu *rx_handler;/* 回调参数 */void __rcu *rx_handler_data;#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACTstruct tcf_proto __rcu *ingress_cl_list;
#endifstruct netdev_queue __rcu *ingress_queue;
#ifdef CONFIG_NETFILTER_INGRESS/* netfilter入口 */struct nf_hook_entry __rcu *nf_hooks_ingress;
#endif/* 链路层广播地址 */unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN];
#ifdef CONFIG_RFS_ACCELstruct cpu_rmap *rx_cpu_rmap;
#endif/* 接口索引hash */struct hlist_node index_hlist;/** Cache lines mostly used on transmit path*//* 发送队列 */struct netdev_queue *_tx ____cacheline_aligned_in_smp;/* 发送队列数 */unsigned int num_tx_queues;unsigned int real_num_tx_queues;/* 排队规则 */struct Qdisc *qdisc;
#ifdef CONFIG_NET_SCHEDDECLARE_HASHTABLE (qdisc_hash, 4);
#endif/*可在设备发送队列中排队的最大数据包数*/unsigned long tx_queue_len;spinlock_t tx_global_lock;/* 网络层确定传输超时调用驱动程序tx_timeout接口的最短时间*/int watchdog_timeo;#ifdef CONFIG_XPSstruct xps_dev_maps __rcu *xps_maps;
#endif
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACTstruct tcf_proto __rcu *egress_cl_list;
#endif/* These may be needed for future network-power-down code. *//* watchdog定时器 */struct timer_list watchdog_timer;/* 引用计数 */int __percpu *pcpu_refcnt;/* 网络设备的注册和除名以两步进行该字段用于处理第二步*/struct list_head todo_list;struct list_head link_watch_list;/* 设备的注册状态 */enum { NETREG_UNINITIALIZED0,NETREG_REGISTERED, /* completed register_netdevice */NETREG_UNREGISTERING, /* called unregister_netdevice */NETREG_UNREGISTERED, /* completed unregister todo */NETREG_RELEASED, /* called free_netdev */NETREG_DUMMY, /* dummy device for NAPI poll */} reg_state:8;/* 设备要被释放标记 */bool dismantle;enum {RTNL_LINK_INITIALIZED,RTNL_LINK_INITIALIZING,} rtnl_link_state:16;bool needs_free_netdev;void (*priv_destructor)(struct net_device *dev);#ifdef CONFIG_NETPOLLstruct netpoll_info __rcu *npinfo;
#endifpossible_net_t nd_net;/* mid-layer private */union {void *ml_priv;struct pcpu_lstats __percpu *lstats;struct pcpu_sw_netstats __percpu *tstats;struct pcpu_dstats __percpu *dstats;struct pcpu_vstats __percpu *vstats;};#if IS_ENABLED(CONFIG_GARP)struct garp_port __rcu *garp_port;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_MRP)struct mrp_port __rcu *mrp_port;
#endifstruct device dev;const struct attribute_group *sysfs_groups[4];const struct attribute_group *sysfs_rx_queue_group;const struct rtnl_link_ops *rtnl_link_ops;/* for setting kernel sock attribute on TCP connection setup */
#define GSO_MAX_SIZE 65536unsigned int gso_max_size;
#define GSO_MAX_SEGS 65535u16 gso_max_segs;#ifdef CONFIG_DCBconst struct dcbnl_rtnl_ops *dcbnl_ops;
#endifu8 num_tc;struct netdev_tc_txq tc_to_txq[TC_MAX_QUEUE];u8 prio_tc_map[TC_BITMASK 1];#if IS_ENABLED(CONFIG_FCOE)unsigned int fcoe_ddp_xid;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_CGROUP_NET_PRIO)struct netprio_map __rcu *priomap;
#endifstruct phy_device *phydev;struct lock_class_key *qdisc_tx_busylock;struct lock_class_key *qdisc_running_key;bool proto_down;
};网络设备接收数据的主要方法是由中断引发设备的中断处理函数中断处理函数判断中断类型如果为接收中断则读取接收到的数据分配 sk_buffer 数据结构和数据缓冲区将接收到的数据复制到数据缓冲区并调用 netif_rx() 函数将 sk_buffer 传递给上层协议。
网络设备中 NAP老式网络设备驱动程序是在中断驱动模式下工作意味着每接收一个数据包就需要中断一次事实证明此工作方式在负载很高情况下效率降低为此解决这个问题开发一种新的软件技术–NAPI(New API)。采用 NAPler 技术时如果负载很高网络设备驱动程序将在轮询模式而不是中断驱动模式下运行。 【与数据包的中断接收方式不同的是以轮询方式接收数据包时当第一次中断发生后中断处理程序要禁止设备的数据包接收中断并调度 NAPI】。
数据包的收发网络设备驱动程序主要任务接收目的地为当前主机的数据包并将其传递给网络层之后再将其传递给传输层。传输当前主机生成的外出数据包或转换当前主机收到数据包。对于每个数据包无论它是接收到还是发送出去都需要在路由子系统中执行一次查找操作。
每个 SKBsocket buffer 都有一个dev成员一个net_device结构实例对于到来的数据包这个成员表示接收它的网络设备而对于外出的数据包这个成员表示发送它的网络设备。
https://www.cnblogs.com/theseventhson/p/15858194.html
https://www.cnblogs.com/whiteBear/p/16380625.html
网络设备之net_device结构与操作
