顛覆你對作業系統的認知－Linux發行版概述

不管你是資深的程式設計師還是初學者，不管你是使用Windows或macOS的用戶，如果你對電腦作業系統有一定了解，那麼Linux這個名字肯定不會陌生。但是，你了解的可能只是Linux這個作業系統的皮毛。實際上，Linux有眾多的發行版，它們各自擁有獨特的特色和應用場景。下面，我們將為大家介紹幾種常見的Linux發行版，帶你顛覆關於作業系統的傳統認知。

為了使得多種設備能透過網路相互通信，和為了解決各種不同設備在網路互聯中的相容性問題，國際標標準化組織制定了開放式系統互聯通訊參考模型（open System Interconnection Reference Model） ，也就是OSI 網路模型，此模型主要有7 層，分別是應用層、表示層、會話層、傳輸層、網路層、資料鏈結層、實體層。

# 每一層負責的職能都不同，如下：

•應用層，負責提供應用程式統一的介面；

•表示層，負責把資料轉換成相容於另一個系統能辨識的格式；

•會話層，負責建立、管理和終止表示層實體之間的通訊會話；

•傳輸層，負責端對端的資料傳輸；

•網路層，負責資料的路由、轉送、分片；

•資料鏈結層，負責資料的封幀和錯誤偵測，以及 MAC 尋址；

•物理層，負責在實體網路中傳輸資料幀；

由於 OSI 模型實在太複雜，提出的只是概念理論上的分層，並沒有提供具體的實現方案。事實上，我們比較常見，也比較實用的是四層模型，也就是 TCP/IP 網路模型，Linux 系統正是依照這套網路模型來實現網路協定棧的。

TCP/IP 網路模型共有 4 層，分別是應用層、傳輸層、網路層和網路介面層，每一層負責的功能如下：

•應用程式層，負責提供使用者一組應用程序，例如 HTTP、DNS、FTP 等;

•傳輸層，負責端對端的通信，如 TCP、UDP 等；

•網路層，負責網路套件的封裝、分片、路由、轉發，如 IP、ICMP 等；

•網路介面層，負責網路封包在實體網路中的傳輸，例如網路封包的封包、 MAC 位址、錯誤偵測，以及透過網路卡傳輸網路封包等；

TCP/IP 網路模型相比 OSI 網路模型簡化了不少，也更加易記，它們之間的關係如下圖：

# 不過，我們常說的七層和四層負載平衡，是用 OSI 網路模型來描述的，七層對應的是應用層，四層對應的是傳輸層。

Linux 網路協定堆疊

我們可以把自己的身體比喻為應用層中的數據，打底衣服比喻為傳輸層中的TCP 頭，外套比喻為網路層中IP 頭，帽子和鞋子分別比喻為網路介面層的幀頭和幀尾。

在冬天這個季節，當我們要從家裡出去玩的時候，自然要先穿個打底衣服，再套上保暖外套，最後穿上帽子和鞋子才出門，這個過程就好像我們把TCP 協議通訊的網路包發出去的時候，會把應用層的資料依照網路協定棧層封裝處理。

你從下面這張圖可以看到，應用層資料在每一層的封裝格式。

# 其中：

•傳輸層，為應用程式資料前面增加了 TCP 頭；

•網路層，為 TCP 封包前面增加了 IP 頭；

•網路介面層，給 IP 封包前後分別增加了幀頭和幀尾；

這些新增和頭部和尾部，都有各自的作用，也都是按照特定的協議格式填充，這每一層都增加了各自的協議頭，那自然網絡包的大小就增大了，但實體連結並不能傳輸任意大小的資料包，所以在乙太網路中，規定了最大傳輸單元（MTU）是1500 位元組，也就是規定了單次傳輸的最大IP 包大小。

當網路套件超過MTU 的大小，就會在網路層分片，以確保分片後的IP 套件不會超過MTU 大小，如果MTU 越小，需要的分包就越多，那麼網路吞吐能力就越差，相反的，如果MTU 越大，需要的分包就越小，那麼網路吞吐能力就越好。

知道了 TCP/IP 網路模型，以及網路套件的封裝原理後，那麼 Linux 網路協定棧的樣子，你想必猜到了大概，它其實就類似於 TCP/IP 的四層結構：

# 從上圖的的網路協定棧，你可以看到：

•應用程式需要透過系統調用，來跟 Socket 層進行資料交互；

•Socket 層的下面是傳輸層、網路層和網路介面層；

•最下面的一層，則是網卡驅動程式和硬體網卡設備；

Linux 接收網路套件的流程

網卡是電腦裡的一個硬件，專門負責接收和發送網路包，當網卡接收到一個網路包後，會透過DMA 技術，將網路包放入到Ring Buffer，這個是一個環形緩衝區，該緩衝區在核心記憶體中的網路卡驅動裡。

那接收到網路套件後，該怎麼告訴作業系統這個網路套件已經到達了呢？

最簡單的一種方式就是觸發中斷，也就是每當網路卡收到一個網路包，就會觸發一個中斷告訴作業系統。

但是，這存在一個問題，在高效能網路場景下，網路包的數量會非常多，那麼就會觸發非常多的中斷，要知道當CPU 收到了中斷，就會停下手裡的事情，而去處理這些網路包，處理完畢後，才會回去繼續其他事情，那麼頻繁地觸發中斷，則會導致CPU 一直沒玩沒了的處理中斷，而導致其他任務可能無法繼續前進，從而影響系統的整體效率。

所以為了解決頻繁中斷帶來的效能開銷，Linux 核心在2.6 版本中引入了NAPI 機制，它是混合「中斷和輪詢」的方式來接收網路包，它的核心概念就是不採用中斷的方式讀取數據，而是首先採用中斷喚醒數據接收的服務程序，然後poll 的方法來輪詢數據。

例如，當有網路包到達時，網卡發起硬體中斷，於是會執行網卡硬體中斷處理函數，中斷處理函數處理完需要「暫時屏蔽中斷」，然後喚醒「軟中斷」來輪詢處理數據，直到沒有新資料時才恢復中斷，這樣一次中斷處理多個網路包，於是就可以降低網卡中斷帶來的效能開銷。

那軟中斷是怎麼處理網路包的呢？它會從 Ring Buffer 中拷貝資料到內核 struct sk_buff 緩衝區中，從而可以作為一個網路包交給網路協定棧進行逐層處理。

首先，會先進入到網路介面層，在這一層會檢查封包的合法性，如果不合法則丟棄，合法則會找出該網路套件的上層協定的類型，例如是IPv4，還是IPv6 ，接著再去掉幀頭和幀尾，然後交給網路層。

到了網路層，則取出 IP 包，判斷網路包下一步的走向，例如交給上層處理還是轉送出去。當確認這個網路包要傳送給本機後，就會從 IP 頭上看看上一層協定的類型是 TCP 還是 UDP，接著去掉 IP 頭，然後交給傳輸層。

傳輸層取出 TCP 頭或 UDP 頭，依照四元群組「來源 IP、來源連接埠、目的 IP、目的連接埠」 作為標識，找出對應的 Socket，並將資料拷貝到 Socket 的接收緩衝區。

最後，應用層程式呼叫 Socket 接口，從內核的 Socket 接收緩衝區讀取新到來的資料到應用層。

至此，一個網路包的接收過程就已經結束了，你也可以從下圖左邊部分看到網路包接收的流程，右邊部分剛好反過來，它是網路包發送的流程。

Linux 傳送網路套件的流程

#如上圖的有半部分，發送網路包的流程正好和接收流程相反。

首先，應用程式會調用Socket 發送封包的接口，由於這個是系統調用，所以會從用戶態陷入到內核態中的Socket 層，Socket 層會將應用層資料拷貝到Socket 發送緩衝區中。

接下來，網路協定堆疊從 Socket 傳送緩衝區中取出封包，並依照 TCP/IP 協定堆疊從上到下逐層處理。

如果使用的是TCP 傳輸協定發送數據，那麼會在傳輸層增加TCP 包頭，然後交給網絡層，網絡層會給數據包增加IP 包，然後通過查詢路由表確認下一跳的IP，並依照MTU 大小進行分片。

分片後的網路包，就會送到網路介面層，在這裡會透過 ARP 協定獲得下一跳的 MAC 位址，然後增加訊框頭和訊框尾，放到發包佇列中。

這一些準備好後，會觸發軟中斷告訴網卡驅動程序，這裡有新的網絡包需要發送，最後驅動程序通過DMA，從發包隊列中讀取網絡包，將其放入到硬體網卡的隊列中，隨後實體網卡再將它送出去。

總結

電腦與電腦之間通常都是通話網卡、交換器、路由器等網路設備連接到一起，那由於網路設備的異質性，國際標準化組織定義了一個七層的OSI 網路模型，但是這個模型由於比較複雜，實際應用中並沒有採用，而是採用了更簡化的TCP/IP 模型，Linux 網路協定棧就是依照了這個模型來實現的。

TCP/IP 模型主要分為應用層、傳輸層、網路層、網路介面層四層，每一層負責的職責都不同，這也是 Linux 網路協定堆疊主要組成部分。

當應用程式透過 Socket 介面傳送封包，封包會被網路協定堆疊從上到下進行逐層處理後，才會被送到網卡佇列中，隨後由網路卡將網路封包傳送出去。

而在接收網路套件時，同樣也要先經過網路協定堆疊從下到上的逐層處理，最後才會被送到應用程式。

總而言之，Linux作為一種自由開放原始碼的作業系統，已經在科技領域嶄露頭角並且廣泛應用。無論你是資深的程式設計師還是普通用戶，選擇適合自己的Linux發行版真的可以帶來許多意想不到的好處。相信這篇文章能夠幫助你更了解Linux發行版，也希望你能在自己的電腦上親身體驗Linux的魅力。

以上是顛覆你對作業系統的認知－Linux發行版概述的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！