Linux システムでネットワーク データ パケットを送受信するプロセスを簡単に説明します。

Linux サーバーはネットワーク データ パケットを受信します。どのような処理を実行する必要がありますか。また、段階的にデータをアプリケーション プロセスにどのように渡すのでしょうか?アプリケーション プロセスがデータ パケットを送信するとき、Linux はどのようにしてデータ パケットを送信するのでしょうか?今日はこのテーマについてお話します。

ネットワーク データ パケットを受信する準備が整う前に、Linux は次のような多くの準備作業を行う必要があります。たとえば、ネットワーク サブシステムの初期化、プロトコル スタックの登録、ネットワーク カード ドライバーの初期化、ネットワーク カードの起動、これらの準備が整って初めて、実際にネットワーク パケットの受信を開始できます。

ネットワークプロトコルスタック

---

Linux によるネットワーク データ パケットの送受信を紹介する前に、まず Linux ネットワーク プロトコル スタックについて理解しましょう。

国際標準化機構は、OSI ネットワーク モデルであるオープン システム相互接続参照モデルを策定しました。モデルは主にアプリケーション層、プレゼンテーション層、セッション層、トランスポート層、ネットワーク層、データリンク層の 7 層で構成されています。そして物理層。

OSI モデルは複雑すぎるため、層が多すぎる概念的かつ理論的なモデルにすぎず、ネットワーク作業の複雑さが増大するため、大規模には適用されていません。
私たちが使用する最も一般的なネットワーク モデルは TCP/IP ネットワーク モデルであり、Linux システムはこのネットワーク モデルに従ってネットワーク プロトコル スタックを実装します。

TCP/IP のネットワーク モデルは、アプリケーション層、トランスポート層、ネットワーク層、ネットワーク インターフェイス層の 4 層で構成されており、各層の機能は次のとおりです。

1,

アプリケーション層 OSI 参照モデルの上位層に相当し、FTP、Telnet、DNS、SMTP など、必要なさまざまなサービスをユーザーに提供します。

2、

トランスポート層 OSI 参照モデルのトランスポート層に対応し、アプリケーション層エンティティにエンドツーエンドの通信機能を提供し、データ パケットの連続送信とデータの整合性を保証します。 。この層は、伝送制御プロトコル (TCP) とユーザー データグラム プロトコル (UDP) という 2 つの主要なプロトコルを定義します。

3,

ネットワーク層 OSI参照モデルのネットワーク層に相当し、主にホスト間の通信問題を解決します。これには、ネットワーク全体でデータ パケットを論理的に送信するために設計されたプロトコルが含まれています。 IP アドレスをホストに再割り当てしてホストのアドレス指定を完了することに重点を置き、さまざまなネットワークでデータ パケットをルーティングする役割も果たします。この層には、インターネット プロトコル (IP)、インターネット グループ管理プロトコル (IGMP)、およびインターネット コントロール メッセージ プロトコル (ICMP) の 3 つの主要なプロトコルがあります。

4,

ネットワークインターフェース層 OSI参照モデルにおける物理層およびデータリンク層に相当します。ホストとネットワーク間のデータ交換を監視する役割を果たします。実際、TCP/IP 自体はこの層のプロトコルを定義しておらず、相互接続に参加している各ネットワークは独自の物理層およびデータリンク層プロトコルを使用して、TCP/IP のネットワーク アクセス層に接続します。アドレス解決プロトコル (ARP) は、この層、つまり OSI 参照モデルのデータ リンク層で機能します。

ネットワーク データ パケットの受信

---

ネットワーク データ パケットはネットワーク カードに到達すると、FIFO 順にネットワーク カードの受信キューに格納され、ネットワーク カードは指定されたメモリ アドレス (リング バッファ) にネットワーク パケットを書き込みます。 DMA テクノロジーを通じて。

リング バッファは、ネットワーク カード ドライバの起動時に作成および初期化され、sk_buff バッファの記述子 (物理アドレスやサイズなど) を格納します。

#「

」

ネットワーク パケットが到着すると、指定された sk_buff 記述子をリング バッファから取得し、DMA を介してそのアドレスにデータを書き込みます。 sk_buff 内のデータが処理のために上位プロトコル スタックに渡された後、リング バッファ内の記述が新しく割り当てられた sk_buff に更新されます。

」

#その後、ネットワーク カードは CPU に対してハードウェア割り込みを開始し、CPU はハードウェア割り込み要求を受信すると、割り込みレジストリに基づいて登録されている割り込み処理関数を見つけます。

ハードウェア割り込み処理関数は次のことを行います:

1. ネットワーク カードの中断を保護します

#「

」 目的は、CPU が頻繁に中断されて他のタスクを処理できなくなるのを防ぐことです。割り込みをマスキングすると、ネットワーク カードがメモリ内にデータがあることをすでに認識していることがわかります。次回データ パケットを受信したときに、ネットワーク カードはただ単にCPU に通知せずにメモリに直接書き込みます。

」

#2. ソフト割り込みを開始し、ブロックされたばかりの割り込みを復元します

#「

」

カーネルの ksoftirqd スレッドがソフト割り込みを受信すると、対応するソフト割り込み処理関数を呼び出してデータをポーリングして処理します。つまり、sk_buff で表されるリング バッファからデータ フレームを取得し、それを渡します。ネットワーク プロトコル スタックは、下から上に層ごとに処理されます。

」

#ネットワーク プロトコル スタックはネットワーク パケットを次のように処理します:

1. ネットワークインターフェイス層

#「」

最初に、ネットワーク インターフェイス層でメッセージの正当性と正当性がチェックされます。メッセージが不正であるか、メッセージ検証が正しくない場合は、メッセージを破棄します。そうでない場合は、上位層プロトコルの種類 (IPv4 または IPv6) を調べて、メッセージを削除します。フレーム ヘッダーとフレーム テールを取得し、処理のために上位層であるネットワーク層に渡されます。

」

#2. ネットワーク層

#「

」 ネットワーク層は IP ヘッダーを取り出し、ネットワーク パケットの次の方向 (転送するか上位層に引き渡すか) を決定します。ネットワーク パケットがローカル マシンに送信されることを確認した後、上位層プロトコルの種類 (TCP や UDP など) が抽出され、IP ヘッダーが削除されて、トランスポート層に渡されて処理されます。

」

#3. トランスポート層

#「

」

トランスポート層は、TCP ヘッダーまたは UDP ヘッダーを取り出した後、4 つのタプル [送信元 IP、送信元ポート、宛先 IP、宛先ポート] に基づいて対応するソケットを見つけ、データをソケットの受信バッファにコピーします。 。

」

#4. アプリケーション層

#「

」 最後に、アプリケーション層プログラムはソケット インターフェイスを呼び出し、カーネルのソケット受信バッファ内のデータをアプリケーション層バッファにコピーします。

」

#この時点でネットワークパケットの受信処理は終了です。

ネットワーク パケットの送信

ネットワーク パケットの受信プロセスを理解すると、ネットワーク パケットの送信プロセスを理解するのは簡単になります。ネットワーク パケットの送信方向は、受信方向とまったく逆になります。

---

まず、アプリケーションは Socket インターフェイスを呼び出してネットワーク パケットを送信します。これは、ユーザー モードからカーネル モードのソケット層に入るシステム コールです。

ソケット層はカーネルモードのsk_buffメモリを適用し、ユーザーが送信するデータをsk_buffメモリにコピーし、それをソケット送信バッファに追加してネットワークプロトコルスタックによる処理を待ちます。

ネットワーク データ パケットはアプリケーションからカーネルに送信されるときは生データであるため、プロトコル スタックは生データに通信規則を追加して、データがサーバーに到達したときに正しく認識できるようにする必要があります。ネットワーク プロトコル スタックは、Socket の送信バッファからデータ パケットを取り出し、TCP/IP スタックの各層 (トランスポート層、ネットワーク層、ネットワーク インターフェイス層) に従って上から下へ層ごとに処理します。プロトコル ヘッダーを変換します。 情報はデータ パケットに継続的に挿入されます。

データ パケットを送信するためのプロトコル スタックの処理フローは次のとおりです:

1. トランスポート層

#「

」

トランスポート層では、TCP ヘッダーがサーバーに追加され、sk_buff の新しいコピーがコピーされます。これは、sk_buff がネットワーク カードに到達して送信が完了すると解放され、TCP プロトコルがネットワークパケットを確実に送信するため、再送をサポートしており、相手からACKを受信するまではこのsk_buffを削除することはできません。

」

#2. ネットワーク層

#「」

ネットワーク層では、主に次の作業を行います: ルートの選択 (次ホップの IP の確認)、IP ヘッダーの埋め込み、ネットフィルターによるフィルタリング、MTU サイズを超えるデータ パケットの断片化。これらのタスクを処理した後、処理のためにネットワーク インターフェイス層に渡されます。

」

#3. ネットワークインターフェース層

#「

」

ネットワーク インターフェイス層は、物理アドレス アドレッシングを実行してネクスト ホップの MAC アドレスを見つけ、フレーム ヘッダーとフレーム トレーラーを埋めて、送信キューに入れます。次に、ソフト割り込みをトリガーして、ネットワーク カード ドライバーに次のことを伝えます。送信する必要のある新しいネットワーク パケットがキュー内にあります。ドライバーは通知を受信すると、DMA を通じて送信パケット キューからネットワーク フレームを読み取り、DMA を通じてネットワーク カードの FIFO 送信キューにデータを書き込みます。

」

#4. ネットワークカード機器

#「

」 ネットワーク カード デバイスは、FIFO 送信キューからデータ パケットを取り出し、ネットワークに送信します。送信が完了すると、ネットワーク カード デバイスはハード割り込みをトリガーしてメモリを解放します。これは、主に sk_buff メモリを解放してクリーンにするためです。リングバッファメモリを増やします。最後に、この TCP メッセージの ACK 応答を受信すると、トランスポート層は元の sk_buff を解放します。

」

#この時点で、ネットワーク パケットの送信プロセスは終了です。

以上がLinux システムでネットワーク データ パケットを送受信するプロセスを簡単に説明します。の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。