linux内核网络协议栈报文的处理过程

用户4905581608125
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一、整体架构图（自底向上）

深色版本
[ 网卡硬件 ] 
     ↓
[ 网卡驱动（NAPI） → Ring Buffer → 中断/轮询 ]
     ↓
[ 内核网络子系统（netif_receive_skb） ]
     ↓
[ 网桥/虚拟设备（如 br0, veth） → netfilter PREROUTING ]
     ↓
[ IP 层（路由决策、转发 or 本机） ]
     ↓
[ netfilter INPUT → 传输层（TCP/UDP） ]
     ↓
[ Socket 层（接收队列） ]
     ↓
[ 应用层（recv()/read()） ]

发包方向相反。

✅ 二、接收流程（Rx）详解

1. 网卡收包 & 硬件中断

  • 网卡收到数据帧（Ethernet Frame）
  • 将数据写入 Ring Buffer（DMA 写入内存）
  • 触发 硬件中断（MSI-X 或传统 IRQ）
  • 或使用 NAPI（New API）轮询模式（避免中断风暴）

⚙️ 查看中断：

bash
深色版本
cat /proc/interrupts | grep eth0

2. 软中断处理（ksoftirqd）

  • 硬件中断触发后，内核调度 软中断（softirq）
  • 软中断类型：NET_RX_SOFTIRQ
  • 执行函数：net_rx_action()
  • 调用驱动注册的 poll() 函数（如 ixgbe_poll）

📌 NAPI 机制：

  • 高负载时：切换到轮询模式（减少中断开销）
  • 低负载时：恢复中断模式

3. 进入网络协议栈（netif_receive_skb）

c
深色版本
netif_receive_skb(skb)
    → __netif_receive_skb_core()
        → handle_packet()
            → pt_prev->func()  // 如 eth_type_trans 处理以太网类型

  • skb（socket buffer）是核心数据结构

  • 解析 Ethernet Header：

    • 源/目的 MAC
    • EtherType（如 0x0800 → IPv4）

4. 桥接/虚拟设备处理（可选）

如果启用了网桥（bridge）、Docker veth、Open vSwitch：

c
深色版本
br_handle_frame()
    → br_pass_frame_up()  // 本机处理
    → br_forward()        // 转发到其他端口

5. Netfilter PREROUTING 钩子

c
深色版本
nf_hook(NF_INET_PRE_ROUTING)
  • 执行 iptables 的 PREROUTING 链
  • 可做 DNAT、包过滤、连接跟踪（conntrack）

🔍 示例：

bash
深色版本
iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 10.0.0.10:80

6. IP 层处理（ip_rcv）

c
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ip_rcv()
    → ip_rcv_finish()
        → fib_lookup()  // 查路由表

路由决策（FIB：Forwarding Information Base）

目的地址类型处理路径
本机 IP（VIP 或物理 IP）RTN_LOCAL → 送往上层
其他网段 IPRTN_UNICAST → 转发（需开启 IP Forward）
广播/组播特殊处理

📊 查看路由表：

bash
深色版本
ip route show

7. Netfilter INPUT 钩子

c
深色版本
nf_hook(NF_INET_LOCAL_IN)
  • 执行 iptables 的 INPUT 链
  • 常用于防火墙、访问控制

8. 传输层处理

TCP 报文：

c
深色版本
tcp_v4_rcv()
    → tcp_v4_do_rcv()
        → tcp_rcv_state_process()
            → 根据 TCP 状态机处理（SYN、ACK、DATA）
            → 放入 socket 接收队列（sk_receive_queue）

UDP 报文：

c
深色版本
udp_rcv()
    → udp_queue_rcv_skb()
        → __udp_queue_rcv_skb()
            → 放入 socket 接收队列

9. Socket 层（接收队列）

  • 每个 socket 有一个接收队列（sk_receive_queue）
  • 数据包被 skb 封装后放入队列
  • 触发 socket 的 data_ready 回调（唤醒等待进程）

🔔 唤醒机制：

  • 如果应用在 recv() 阻塞，会被唤醒
  • 使用 epoll 时，eventpoll 会收到通知

10. 应用层接收

c
深色版本
// 用户态调用
recv(sockfd, buf, len, 0);
// 或
read(sockfd, buf, len);
  • 系统调用进入内核
  • 从 sk_receive_queue 取出 skb
  • 拷贝数据到用户空间 buf
  • 释放 skb

✅ 三、发送流程（Tx）详解（反向）

深色版本
[ 应用层 send()/write() ]
     ↓
[ Socket 层（发送队列）]
     ↓
[ 传输层（TCP 分段 or UDP 直传）]
     ↓
[ IP 层（路由查找、分片）]
     ↓
[ Netfilter OUTPUT → POSTROUTING ]
     ↓
[ 数据链路层（ARP 解析、封装 Ethernet Header）]
     ↓
[ 网卡驱动（DMA 发送到 Ring Buffer）]
     ↓
[ 网卡硬件（发送到物理网络）]

关键点：

  • 路由查找：ip_route_output_flow()
  • ARP 解析：如果目的 MAC 未知，发 ARP 请求
  • Netfilter：OUTPUT 和 POSTROUTING 链
  • GSO/GRO：大段卸载（发送）和大接收卸载（接收）

✅ 四、关键数据结构

结构说明
sk_buff（skb）报文载体，贯穿整个协议栈
socksocket 抽象，包含接收/发送队列
net_device网络设备抽象（如 eth0）
net网络命名空间（支持容器）
flowi路由查找的查询结构

✅ 五、性能优化相关机制

机制说明
NAPI减少中断开销
RPS/RSS多队列网卡负载均衡
GRO/LRO接收端聚合，减少上层处理次数
GSO/TSO发送端分段卸载到网卡
XDPeXpress Data Path，在驱动层处理包
AF_XDP零拷贝用户态网络

✅ 六、查看和调试命令

目的命令
查看软中断cat /proc/softirqs
查看网络设备ethtool -i eth0
查看 socket 状态ss -ant
抓包tcpdump -i eth0
查看路由ip route show
查看 netfilteriptables -L -v -n
跟踪内核函数perf trace -p $(pidof nginx)

✅ 七、面试回答模板

“Linux 内核网络协议栈处理报文的流程如下：

  1. 收包：网卡通过 DMA 将数据写入 Ring Buffer，触发软中断；
  2. 协议栈：netif_receive_skb 进入协议栈，经过 PREROUTING、IP 层路由决策；
  3. 本机处理：如果是本机 IP，进入 INPUT 链，再送到 TCP/UDP 层；
  4. Socket：放入 socket 接收队列，唤醒等待进程；
  5. 应用层：recv() 系统调用将数据拷贝到用户空间。

发包流程相反，经过 OUTPUT、路由、POSTROUTING，最后由网卡发出。

整个过程由 sk_buff 贯穿，支持 NAPI、GRO、XDP 等高性能机制。”

✅ 八、总结

阶段关键处理
硬件层DMA、中断、NAPI
数据链路层MAC 处理、VLAN、网桥
网络层IP 处理、路由、netfilter
传输层TCP 状态机、UDP 直传
Socket 层接收/发送队列管理
应用层系统调用接口

掌握这个流程，说明你对 Linux 网络的理解已经深入到 内核源码级别，

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