《探寻linux协议栈》之一:linux协议栈概述

写在前面的话

本人所从事开发以来，一直在做数据面相关。数据面是一个通信设备最终好不好用最直接的体现。
因为一个网络设备，好不好用，数据转发快不快，数据转发稳定不稳定，全部都是用户最直接体
现。所以工作八年以来，对linux内核协议栈业也积累了自己的一些心得。现在想通过系列博文，
写出来，也算是对自己的一个好的总结。如果有人看到该系列博文，而且有所帮助，那也是我的
最大的荣幸所在了。

如何定义linux协议栈

写这个标题我心里其实非常发虚，为毛？因为这个概念实在有点大，好比小时候我们谈到理想，要成为接班人一样。到后面就会发现，接班人这个概念很大，这些年一直做的事情其实就是学习，工作，赚钱，买房结婚等等。

同样，linux协议栈很大。最开始我们接触TCP/IP中提到过一个概念，就是分层。比如比较认可的分层方法如下图：

除此之外，还有比较经典的osi七层模型。不管是tcpip中的分层或者是osi的分层，都无所谓。这里我们会不会问一个问题：为什么需要分层？不分行不行？

关于这个问题，我试图从以下两个方面来说下我自己对这个问题的看法:

真实的报文是怎么样的?

真实的报文，我们都在谈论报文，说明是报文？小明和女朋友两地分居，到晚上，经不住思念困扰，小明拿起手机打开微信给女朋友发了一条信息：我想你亲爱的。这条信息经过手机系统里通信协议栈处理，最后通过驱动层变成一堆比特流发送出去，这就是一个报文，当然更加确切说，是在驱动层发送出去之前。那么。一个报文的样子其实是这样的，见下图:

没错，不那么好看，和我们想象中真的不太一样。然而，这就是真实的报文。仔细看会发现，一个以太网数据报，拿tcp为例子，包含以下信息:

• 以太网头
• IP头
• tcp头
• http/ssh 等头
• 数据部分（比如小明发送的:亲爱的，我想你）

这个例子中的是一个tcp报文，不同报文的结构是不一样的，从上面的图中可以发现，报文像是穿了一层层的衣服，剥开这一层层的衣服，才可以看到里面的奥妙。这就是协议栈采用分层后的效果。这些也就是我接下来要系统写的协议栈内容。

linux收发包大概流程

为了更加清晰的看到协议栈分层思想，我们不妨从一个报文从进入linux机器网卡开始追踪报文的一生。人总有一死，或重于泰山，或轻于鸿毛。报文也一样，从生到死，一样精彩，一样要不停的选路，走路。那么究竟一个报文从进入linux中之后，要经历怎样的有趣旅程呢？看下面这一附图:

linux协议栈分层设计思想

• 分层就像一栋大楼里的每层楼一样，层次分明。你要办理什么事情，该去哪一层的办理就去哪一层办理。与之不太一样的是，linux协议栈的分层设计，可以确保报文在每一层的独立性以及整个报文转发的逻辑性稳定性。

因为linux每个层面只用关心本层需要的报文信息和内容，不需要关心其它的任何多余信息。举例来说，L2层中，主要就是linux的bridge转发处理。那么只需要关注报文的eth_headr中的内容，就可以完成学习，转发。也就是只关心报文的MAC地址以及下一层的协议号即可。（L2转发后续会详细写文分析）。

• 分层让整个协议栈看起来分工明确，协议标准化操作中，也有固化下来的流程组成完整架构，这样的话，即便有需求实现自己独有功能，从现有协议栈中比较轻易的切入和二次扩展开发。

linux分层究竟对报文做了什么

其实，总体说来，就是一年四季来回变化，我们不得不加衣服，去衣服。

对于linux内核来说，协议栈处理网络报文也是这么一个类似过程。首先我们要知道，每一层都有对应的协议头，比如L2层是ETH头，L3层是IP头/ARP头。等等。

那么，我把linux接收报文流程称作上行，发送一个报文称作下行。上行就是脱衣服的过程，报文从驱动进入时候，穿的非常齐整，经过L2层要去掉ETH头，经过L3层要去掉IP头，再后面就是依次脱掉TCP/UDP头，接下来是具体应用层协议头比如ftp/http等等。

详细可以参考下图:

经过这样的处理，一个消息就发送出去了。可以看到，这样发送流程其实就是层层加头的流程。当然了，这幅图画的仅仅是个粗略的大概括，真实情况的封包转发远比这幅图复杂多了，后面我会详细写到。

同样道理，收包流程就是层层去头的过程。

总结

linux协议栈，就是一个报文从进入驱动开始，经过层层转发传输处理，最终达到报文终点，这一些列的流程，都是协议栈处理范围。也是我之后要重点写的内容。