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TCP/IP协议栈在Linux内核中的运行时序分析

时间:2021-02-01 11:58:11      阅读:0      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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TCP/IP协议栈在Linux内核中的运行时序分析

一.概述

1.Linux系统概述

Linux,全称GNU/Linux,是一种免费使用和自由传播的类Unix操作系统,其内核由林纳斯·本纳第克特·托瓦兹1991105日首次发布,它主要受到MinixUnix思想的启发,是一个基于POSIXUnix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。它支持3264硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想,是一个性能稳定的多用户网络操作系统。Linux有上百种不同的发行版,如基于社区开发的debian、archlinux,和基于商业开发的Red Hat Enterprise Linux、SUSE、Oracle Linux等。

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1.1 Linux内核整体架构和子系统划分

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上图说明了Linux内核的整体架构。根据内核的核心功能,Linux内核提出了5个子系统,分别负责如下的功能:

1. Process Scheduler,也称作进程管理、进程调度。负责管理CPU资源,以便让各个进程可以以尽量公平的方式访问CPU。

2. Memory Manager,内存管理。负责管理Memory(内存)资源,以便让各个进程可以安全地共享机器的内存资源。另外,内存管理会提供虚拟内存的机制,该机制可以让进程使用多于系统可用Memory的内存,不用的内存会通过文件系统保存在外部非易失存储器中,需要使用的时候,再取回到内存中。

3. VFS(Virtual File System),虚拟文件系统。Linux内核将不同功能的外部设备,例如Disk设备(硬盘、磁盘、NAND Flash、Nor Flash等)、输入输出设备、显示设备等等,抽象为可以通过统一的文件操作接口(open、close、read、write等)来访问。这就是Linux系统“一切皆是文件”的体现(其实Linux做的并不彻底,因为CPU、内存、网络等还不是文件,如果真的需要一切皆是文件,还得看贝尔实验室正在开发的"Plan 9”的)。

4. Network,网络子系统。负责管理系统的网络设备,并实现多种多样的网络标准。

5. IPC(Inter-Process Communication),进程间通信。IPC不管理任何的硬件,它主要负责Linux系统中进程之间的通信。

每个部分分别处理一项明确的功能,又向其它各个部分提供自己所完成的功能,相互协调,共同完成操作系统的任务。

在本文中,我们着重需要了解Linux网络子系统

1.2 Linux网络子系统(Network)

网络子系统在Linux内核中主要负责管理各种网络设备,并实现各种网络协议栈(在本篇博客中,主要是表示TCP/IP协议栈),最终实现通过网络连接其它系统的功能。在Linux内核中,网络子系统几乎是自成体系,它包括5个子模块(见下图),它们的功能如下:

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  •     Network Device Drivers,网络设备的驱动,用于控制所有的外部设备及控制器。由于存在大量不能相互兼容的硬件设备(特别是嵌入式产品),所以也有非常多的设备驱动。因此,Linux内核中将近一半的Source Code都是设备驱动,大多数的Linux底层工程师(特别是国内的企业)都是在编写或者维护设备驱动,而无暇估计其它内容(它们恰恰是Linux内核的精髓所在)。
  •     Device Independent Interface, 该模块定义了描述硬件设备的统一方式(统一设备模型),所有的设备驱动都遵守这个定义,可以降低开发的难度。同时可以用一致的形势向上提供接口。
  •     Network Protocols,实现各种网络传输协议,例如IP, TCP, UDP等等。
  •     Protocol Independent Interface,屏蔽不同的硬件设备和网络协议,以相同的格式提供接口(socket)。
  •     System Call interface,系统调用接口,向用户空间提供访问网络设备的统一的接口。

 

 

 

 

 2.TCP/IP 协议栈概述

2.1 TCP/IP概念

TCP/IP传输协议,即传输控制/网络协议,也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且,TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构,应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。 
 
TCP/IP协议是Internet最基本的协议,其中应用层的主要协议有Telnet、FTP、SMTP等,是用来接收来自传输层的数据或者按不同应用要求与方式将数据传输至传输层;传输层的主要协议有UDP、TCP,是使用者使用平台和计算机信息网内部数据结合的通道,可以实现数据传输与数据共享;网络层的主要协议有ICMP、IP、IGMP,主要负责网络中数据包的传送等;而网络访问层,也叫网路接口层或数据链路层,主要协议有ARP、RARP,主要功能是提供链路管理错误检测、对不同通信媒介有关信息细节问题进行有效处理等。 

互联网协议套件(Internet Protocol Suite,缩写IPS)是网络通信模型,以及整个网络传输协议家族,为网际网络的基础通信架构。它常通称为TCP/IP协议族,简称TCP/IP,因为该协议家族的两个核心协议:TCP(传输控制协议)和IP(网际协议),为该家族中最早通过的标准。由于在网络通讯协议普遍采用分层的结构,当多个层次的协议共同工作时,类似计算机科学中的堆栈,因此又称为TCP/IP协议栈。这些协议最早发源于美国国防部(缩写为DoD)的ARPA网项目,因此也称作DoD模型(DoD Model)。这个协议族由互联网工程任务组负责维护。

TCP/IP提供了点对点链接的机制,将资料应该如何封装、寻址、传输、路由以及在目的地如何接收,都加以标准化。它将软件通信过程抽象化为四个抽象层,采取协议堆栈的方式,分别实现出不同通信协议。协议族下的各种协议,依其功能不同,分别归属到这四个层次结构之中,常视为是简化的七层OSI模型。

2.2 

TCP/IP 协议栈是一系列网络协议的总和,是构成网络通信的核心骨架,它定义了电子设备如何连入因特网,以及数据如何在它们之间进行传输。TCP/IP 协议采用4层结构,分别是应用层、传输层、网络层和链路层,每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。由于我们大部分时间都工作在应用层,下层的事情不用我们操心;其次网络协议体系本身就很复杂庞大,入门门槛高,因此很难搞清楚TCP/IP的工作原理,通俗一点讲就是,一个主机的数据要经过哪些过程才能发送到对方的主机上。

 

 

 

 

TCP/IP协议栈在Linux内核中的运行时序分析

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原文地址:https://www.cnblogs.com/Clap/p/14350100.html

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