接收网络包的过程——从硬件网卡解析到IP

本文涉及的产品
全局流量管理 GTM,标准版 1个月
公共DNS(含HTTPDNS解析),每月1000万次HTTP解析
云解析 DNS,旗舰版 1个月
简介: 【9月更文挑战第18天】这段内容详细描述了网络包接收过程中机制。当网络包触发中断后,内核处理完这批网络包,会进入主动轮询模式,持续处理后续到来的包,直至处理间隙返回其他任务,从而减少中断次数,提高处理效率。此机制涉及网卡驱动初始化时注册轮询函数,通过软中断触发后续处理,并逐步深入内核网络协议栈,最终到达TCP层。整个接收流程分为多个层次,包括DMA技术存入Ring Buffer、中断通知CPU、软中断处理、以及进入内核网络协议栈等多个步骤。

当一些网络包到来触发了中断,内核处理完这些网络包之后,我们可以先进入主动轮询 poll 网卡的方式,主动去接收到来的网络包。如果一直有,就一直处理,等处理告一段落,就返回干其他的事情。当再有下一批网络包到来的时候,再中断,再轮询 poll。这样就会大大减少中断的数量,提升网络处理的效率,这种处理方式我们称为 NAPI。

在网卡驱动程序初始化的时候,我们会调用 ixgb_init_module,注册一个驱动 ixgb_driver,并且调用它的 probe 函数 ixgb_probe。

在 ixgb_probe 中,我们会创建一个 struct net_device 表示这个网络设备,并且 netif_napi_add 函数为这个网络设备注册一个轮询 poll 函数 ixgb_clean,将来一旦出现网络包的时候,就是要通过它来轮询了。

当一个网卡被激活的时候,我们会调用函数 ixgb_open->ixgb_up,在这里面注册一个硬件的中断处理函数。

如果一个网络包到来,触发了硬件中断,就会调用 ixgb_intr,这里面会调用 __napi_schedule。

__napi_schedule 是处于中断处理的关键部分,在他被调用的时候,中断是暂时关闭的,但是处理网络包是个复杂的过程,需要到延迟处理部分,所以 ____napi_schedule 将当前设备放到 struct softnet_data 结构的 poll_list 里面,说明在延迟处理部分可以接着处理这个 poll_list 里面的网络设备。

然后 ____napi_schedule 触发一个软中断 NET_RX_SOFTIRQ,通过软中断触发中断处理的延迟处理部分,也是常用的手段。

在 net_rx_action 中,会得到 struct softnet_data 结构,这个结构在发送的时候我们也遇到过。当时它的 output_queue 用于网络包的发送,这里的 poll_list 用于网络包的接收。

在 net_rx_action 中,接下来是一个循环,在 poll_list 里面取出网络包到达的设备,然后调用 napi_poll 来轮询这些设备,napi_poll 会调用最初设备初始化的时候,注册的 poll 函数,对于 ixgb_driver,对应的函数是 ixgb_clean。

在网络设备的驱动层,有一个用于接收网络包的 rx_ring。它是一个环,从网卡硬件接收的包会放在这个环里面。这个环里面的 buffer_info[]是一个数组,存放的是网络包的内容。i 和 j 是这个数组的下标,在 ixgb_clean_rx_irq 里面的 while 循环中,依次处理环里面的数据。在这里面,我们看到了 i 和 j 加一之后,如果超过了数组的大小,就跳回下标 0,就说明这是一个环。

ixgb_check_copybreak 函数将 buffer_info 里面的内容,拷贝到 struct sk_buff *skb,从而可以作为一个网络包进行后续的处理,然后调用 netif_receive_skb。

从 netif_receive_skb 函数开始,我们就进入了内核的网络协议栈。

接下来的调用链为:netif_receive_skb->netif_receive_skb_internal->__netif_receive_skb->__netif_receive_skb_core。

在 __netif_receive_skb_core 中,我们先是处理了二层的一些逻辑。例如,对于 VLAN 的处理,接下来要想办法交给第三层。

在网络包 struct sk_buff 里面,二层的头里面有一个 protocol,表示里面一层,也即三层是什么协议。deliver_ptype_list_skb 在一个协议列表中逐个匹配。如果能够匹配到,就返回。

网络协议栈的 IP 层,从 ip_rcv 函数开始,我们的处理逻辑就从二层到了三层,IP 层。

在 ip_rcv 中,得到 IP 头,然后又遇到了我们见过多次的 NF_HOOK,这次因为是接收网络包,第一个 hook 点是 NF_INET_PRE_ROUTING,也就是 iptables 的 PREROUTING 链。如果里面有规则,则执行规则,然后调用 ip_rcv_finish。

ip_rcv_finish 得到网络包对应的路由表,然后调用 dst_input,在 dst_input 中,调用的是 struct rtable 的成员的 dst 的 input 函数。在 rt_dst_alloc 中,我们可以看到,input 函数指向的是 ip_local_deliver。

在 ip_local_deliver 函数中,如果 IP 层进行了分段,则进行重新的组合。接下来就是我们熟悉的 NF_HOOK。hook 点在 NF_INET_LOCAL_IN,对应 iptables 里面的 INPUT 链。在经过 iptables 规则处理完毕后,我们调用 ip_local_deliver_finish。

在 IP 头中,有一个字段 protocol 用于指定里面一层的协议,在这里应该是 TCP 协议。于是,从 inet_protos 数组中,找出 TCP 协议对应的处理函数。这个数组的定义如下,里面的内容是 struct net_protocol。

在系统初始化的时候,网络协议栈的初始化调用的是 inet_init,它会调用 inet_add_protocol,将 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol、UDP 协议对应的处理函数 udp_protocol,放到 inet_protos 数组中。

在上面的网络包的接收过程中,会取出 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol,然后调用 handler 函数,也即 tcp_v4_rcv 函数。

接收网络包的上半部分,分以下几个层次。

  • 硬件网卡接收到网络包之后,通过 DMA 技术,将网络包放入 Ring Buffer。
  • 硬件网卡通过中断通知 CPU 新的网络包的到来。
  • 网卡驱动程序会注册中断处理函数 ixgb_intr。
  • 中断处理函数处理完需要暂时屏蔽中断的核心流程之后,通过软中断 NET_RX_SOFTIRQ 触发接下来的处理过程。
  • NET_RX_SOFTIRQ 软中断处理函数 net_rx_action,net_rx_action 会调用 napi_poll,进而调用 ixgb_clean_rx_irq,从 Ring Buffer 中读取数据到内核 struct sk_buff。
  • 调用 netif_receive_skb 进入内核网络协议栈,进行一些关于 VLAN 的二层逻辑处理后,调用 ip_rcv 进入三层 IP 层。
  • 在 IP 层,会处理 iptables 规则,然后调用 ip_local_deliver,交给更上层 TCP 层。
  • 在 TCP 层调用 tcp_v4_rcv。


image.png

相关文章
|
4天前
|
前端开发 网络协议 安全
【网络原理】——HTTP协议、fiddler抓包
HTTP超文本传输,HTML,fiddler抓包,URL,urlencode,HTTP首行方法,GET方法,POST方法
|
23天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
深入解析图神经网络:Graph Transformer的算法基础与工程实践
Graph Transformer是一种结合了Transformer自注意力机制与图神经网络(GNNs)特点的神经网络模型,专为处理图结构数据而设计。它通过改进的数据表示方法、自注意力机制、拉普拉斯位置编码、消息传递与聚合机制等核心技术,实现了对图中节点间关系信息的高效处理及长程依赖关系的捕捉,显著提升了图相关任务的性能。本文详细解析了Graph Transformer的技术原理、实现细节及应用场景,并通过图书推荐系统的实例,展示了其在实际问题解决中的强大能力。
126 30
|
7天前
|
网络协议
TCP报文格式全解析:网络小白变高手的必读指南
本文深入解析TCP报文格式,涵盖源端口、目的端口、序号、确认序号、首部长度、标志字段、窗口大小、检验和、紧急指针及选项字段。每个字段的作用和意义详尽说明,帮助理解TCP协议如何确保可靠的数据传输,是互联网通信的基石。通过学习这些内容,读者可以更好地掌握TCP的工作原理及其在网络中的应用。
|
7天前
|
存储 监控 网络协议
一次读懂网络分层:应用层到物理层全解析
网络模型分为五层结构,从应用层到物理层逐层解析。应用层提供HTTP、SMTP、DNS等常见协议;传输层通过TCP和UDP确保数据可靠或高效传输;网络层利用IP和路由器实现跨网数据包路由;数据链路层通过MAC地址管理局域网设备;物理层负责比特流的物理传输。各层协同工作,使网络通信得以实现。
|
7天前
|
网络协议 安全 网络安全
探索网络模型与协议:从OSI到HTTPs的原理解析
OSI七层网络模型和TCP/IP四层模型是理解和设计计算机网络的框架。OSI模型包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,而TCP/IP模型则简化为链路层、网络层、传输层和 HTTPS协议基于HTTP并通过TLS/SSL加密数据,确保安全传输。其连接过程涉及TCP三次握手、SSL证书验证、对称密钥交换等步骤,以保障通信的安全性和完整性。数字信封技术使用非对称加密和数字证书确保数据的机密性和身份认证。 浏览器通过Https访问网站的过程包括输入网址、DNS解析、建立TCP连接、发送HTTPS请求、接收响应、验证证书和解析网页内容等步骤,确保用户与服务器之间的安全通信。
44 1
|
18天前
|
Web App开发 网络协议 安全
网络编程懒人入门(十六):手把手教你使用网络编程抓包神器Wireshark
Wireshark是一款开源和跨平台的抓包工具。它通过调用操作系统底层的API,直接捕获网卡上的数据包,因此捕获的数据包详细、功能强大。但Wireshark本身稍显复杂,本文将以用抓包实例,手把手带你一步步用好Wireshark,并真正理解抓到的数据包的各项含义。
69 2
|
28天前
|
SQL 安全 算法
网络安全之盾:漏洞防御与加密技术解析
在数字时代的浪潮中,网络安全和信息安全成为维护个人隐私和企业资产的重要防线。本文将深入探讨网络安全的薄弱环节—漏洞,并分析如何通过加密技术来加固这道防线。文章还将分享提升安全意识的重要性,以预防潜在的网络威胁,确保数据的安全与隐私。
56 2
|
13天前
|
SQL 安全 网络安全
网络安全与信息安全:知识分享####
【10月更文挑战第21天】 随着数字化时代的快速发展,网络安全和信息安全已成为个人和企业不可忽视的关键问题。本文将探讨网络安全漏洞、加密技术以及安全意识的重要性,并提供一些实用的建议,帮助读者提高自身的网络安全防护能力。 ####
55 17
|
24天前
|
存储 SQL 安全
网络安全与信息安全:关于网络安全漏洞、加密技术、安全意识等方面的知识分享
随着互联网的普及,网络安全问题日益突出。本文将介绍网络安全的重要性,分析常见的网络安全漏洞及其危害,探讨加密技术在保障网络安全中的作用,并强调提高安全意识的必要性。通过本文的学习,读者将了解网络安全的基本概念和应对策略,提升个人和组织的网络安全防护能力。
|
25天前
|
SQL 安全 网络安全
网络安全与信息安全:关于网络安全漏洞、加密技术、安全意识等方面的知识分享
随着互联网的普及,网络安全问题日益突出。本文将从网络安全漏洞、加密技术和安全意识三个方面进行探讨,旨在提高读者对网络安全的认识和防范能力。通过分析常见的网络安全漏洞,介绍加密技术的基本原理和应用,以及强调安全意识的重要性,帮助读者更好地保护自己的网络信息安全。
45 10

推荐镜像

更多