深入理解Linux网络协议

同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。

网络模型

多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。

在计算机网络时代初期，各大厂商推出了不同的网络架构和标准，为统一标准，国际标准化组织 ISO 推出了统一的 OSI 开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model）。

网络分层解决了网络复杂的问题，在网络中传输数据中，我们对不同设备之间的传输数据的格式，需要定义一个数据标准，所以就有了网络协议。

为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层，每个层负责不同的功能。其中，

• 应用层，负责为应用程序提供统一的接口。

• 表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式。

• 会话层，负责维护计算机之间的通信连接。

• 传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包。

• 网络层，负责数据的路由和转发。

• 数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。

• 物理层，负责在物理网络中传输数据帧。

但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，

• 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。

• 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。

• 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。

• 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。

TCP/IP 与 OSI 模型的关系如下图：

虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层（而它们对应到 TCP/IP 模型中，实际上是四层和三层）。

Linux网络栈

有了 TCP/IP 模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再发送给下一层。

当然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层，一个提供 REST API 的应用，可以使用 HTTP 协议，把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中，然后向下传递给 TCP 层。

而封装做的事情就很简单了，只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。

比如，以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。

其中：

• 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头；

• 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头；

• 而网络接口层，又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。

这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小，但我们都知道，物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500bytes（这也是 Linux 的默认值）。

在Linux操作系统中执行 ifconfig 可以查看到每个网卡的mtu值，有1450、1500等不同的值。

[root@dev ~]# ifconfig
cni0: flags=4163  mtu 1450
        inet 10.244.0.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 10.244.0.255
        inet6 fe80:53ff638b  prefixlen 64  scopeid 0x20
        ether 665363:8b  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 124  bytes 12884 (12.5 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 122  bytes 29636 (28.9 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

docker0: flags=4099  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        ether 02129e:91  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

ens33: flags=4163  mtu 1500
        inet 192.168.2.129  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.2.255
        inet6 fe80:989b8e3b  prefixlen 64  scopeid 0x20
        ether 00295e:32  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 131  bytes 13435 (13.1 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 73  bytes 17977 (17.5 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。

理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，对Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：

从上到下来看这个网络栈，你可以发现，

• 最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互；

• 套接字的下面，就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层；

• 最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。

网络包的处理非常复杂，所以，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。

Linux网络包收发流程

了解了 Linux 网络栈后，我们再来看看， Linux 到底是怎么收发网络包的。

PS：以下内容都以物理网卡为例。Linux 还支持众多的虚拟网络设备，而它们的网络收发流程会有一些差别。

网络包的接收流程

我们先来看网络包的接收流程。

1. 当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。

2. 接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。

3. 接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。比如，

在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（ IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。

1. 网络层取出 IP 头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（TCP 还是 UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。

2. 传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 > 四元组作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。

3. 最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。

具体过程如下图所示，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

网络包的发送流程

网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。

首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。

由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。

接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。

分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。

最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。

在不同的网络协议处理下，给我们的网络数据包加上了各种头部，这保证了网络数据在各层物理设备的流转下可以正确抵达目的地。收到处理后的网络数据包后，接受端再通过网络协议将头部字段去除，得到原始的网络数据。

下图是客户端与服务器之间用网络协议连接通信的过程：

Linux 网络根据 TCP/IP 模型，构建其网络协议栈。TCP/IP 模型由应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层组成，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。

应用程序通过套接字接口发送数据包时，先要在网络协议栈中从上到下逐层处理，然后才最终送到网卡发送出去；而接收数据包时，也要先经过网络栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序。

了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？

常用网络相关命令

分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。

ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代，通常情况下它们会在发行版中默认安装。

以网络接口 ens33 为例，可以运行下面的两个命令，查看它的配置和状态：

 

 

[root@dev ~]# ifconfig ens33
ens33: flags=4163  mtu 1500
        inet 192.168.2.129  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.2.255
        inet6 fe80:989b8e3b  prefixlen 64  scopeid 0x20
        ether 00295e:32  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 249  bytes 22199 (21.6 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 106  bytes 22636 (22.1 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
[root@dev ~]#
[root@dev ~]# ip -s addr show ens33
2: ens33:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00295e:32 brd ffffff:ff
    inet 192.168.2.129/24 brd 192.168.2.255 scope global noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80:989b8e3b/64 scope link noprefixroute
       valid_lft forever preferred_lft forever
    RX: bytes  packets  errors  dropped overrun mcast
    24877      279      0       0       0       0
    TX: bytes  packets  errors  dropped carrier collsns
    24616      123      0       0       0       0

 

 

可以看到，ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如，它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。

有几个字段可以重点关注下：

第一，网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。

第二，MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。

第三，网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。

第四，网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX （ Transmit发送 ）和 RX（Receive接收 ） 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络问题。其中：

• errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；

• dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 Ring Buffer，但因为内存不足等原因丢包；

• overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包；

• carrier 表示发生 carrirer 错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等；

• collisions 表示碰撞数据包数。

套接字信息

套接字接口在网络程序功能中是内核与应用层之间的接口。TCP/IP 协议栈的所有数据和控制功能都来自于套接字接口，与 OSI 网络分层模型相比，TCP/IP 协议栈本身在传输层以上就不包含任何其他协议。

在 Linux 操作系统中，替代传输层以上协议实体的标准接口，称为套接字，它负责实现传输层以上所有的功能，可以说套接字是 TCP/IP 协议栈对外的窗口。

ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息，我们也必须关注，可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。

我个人更推荐，使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。

比如，你可以执行下面的命令，查询套接字信息：

 

 

# head -n 4 表示只显示前面4行
# -l 表示只显示监听套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
[root@dev ~]# netstat -nlp | head -n 4
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address    Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 0.0.0.0:22              0.0.0.0:*          LISTEN      952/sshd
tcp        0      0 127.0.0.1:25            0.0.0.0:*          LISTEN      11/master

# -l 表示只显示监听套接字
# -t 表示只显示 TCP 套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
$ ss -ltnp | head -n 4

 

 

netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。

其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当你发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。

当套接字处于连接状态（Established）时，

• Recv-Q 表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（即接收队列长度）。

• Send-Q 表示还没有被远端主机确认的字节数（即发送队列长度）。

当套接字处于监听状态（Listening）时，

• Recv-Q 表示全连接队列的长度。

• Send-Q 表示全连接队列的最大长度。

所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。

与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。

连接统计信息

类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：

 

 

[root@dev ~]# netstat -s
...
Tcp:
    1898 active connections openings
    1502 passive connection openings
    24 failed connection attempts
    1304 connection resets received
    178 connections established
    133459 segments received
    133428 segments send out
    22 segments retransmited
    0 bad segments received.
    1400 resets sent
...

[root@dev ~]# ss -s
Total: 1700 (kernel 2499)
TCP:   340 (estab 178, closed 144, orphaned 0, synrecv 0, timewait 134/0), ports 0

Transport Total     IP        IPv6
*         2499      -         -
RAW       1         0         1
UDP       5         3         2
TCP       196       179       17
INET      202       182       20
FRAG      0         0         0

 

 

这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息，展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。

连通性和延时

通常使用 ping ，来测试远程主机的连通性和延时，而ping基于 ICMP 协议。比如，执行下面的命令，你就可以测试本机到 192.168.2.129 这个 IP 地址的连通性和延时：

 

 

[root@dev ~]# ping -c3 192.168.2.129
PING 192.168.2.129 (192.168.2.129) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.2.129: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.026 ms
64 bytes from 192.168.2.129: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.016 ms
64 bytes from 192.168.2.129: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.015 ms

--- 192.168.2.129 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1998ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.015/0.019/0.026/0.005 ms

 

 

ping 的输出，可以分为两部分。

1. 第一部分，是每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。

2. 第二部分，则是三次 ICMP 请求的汇总。

比如上面的示例显示，发送了 3 个网络包，并且接收到 3 个响应，没有丢包发生，这说明测试主机到 192.168.2.129是连通的；平均往返延时（RTT）是 0.026 ms，也就是从发送 ICMP 开始，到接收到主机回复的确认，总共经历的时间。

审核编辑：黄飞