? ? 本文將介紹在Linux系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)包是如何一步一步從網(wǎng)卡傳到進(jìn)程手中的。

如果英文沒(méi)有問(wèn)題，強(qiáng)烈建議閱讀后面參考里的兩篇文章，里面介紹的更詳細(xì)。

本文只討論以太網(wǎng)的物理網(wǎng)卡，不涉及虛擬設(shè)備，并且以一個(gè)UDP包的接收過(guò)程作為示例.

本示例里列出的函數(shù)調(diào)用關(guān)系來(lái)自于kernel 3.13.0，如果你的內(nèi)核不是這個(gè)版本，函數(shù)名稱和相關(guān)路徑可能不一樣，但背后的原理應(yīng)該是一樣的（或者有細(xì)微差別）

網(wǎng)卡到內(nèi)存

網(wǎng)卡需要有驅(qū)動(dòng)才能工作，驅(qū)動(dòng)是加載到內(nèi)核中的模塊，負(fù)責(zé)銜接網(wǎng)卡和內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)模塊，驅(qū)動(dòng)在加載的時(shí)候?qū)⒆约鹤?cè)進(jìn)網(wǎng)絡(luò)模塊，當(dāng)相應(yīng)的網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序處理數(shù)據(jù)。

下圖展示了數(shù)據(jù)包（packet）如何進(jìn)入內(nèi)存，并被內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)模塊開始處理：

+-----+ | | Memroy+--------+ 1 | | 2 DMA +--------+--------+--------+--------+| Packet |-------->| NIC |------------>| Packet | Packet | Packet | ...... |+--------+ | | +--------+--------+--------+--------+ | |<--------+ +-----+ | | +---------------+ | | 3 | Raise IRQ | Disable IRQ | 5 | | | ↓ | +-----+ +------------+ | | Run IRQ handler | | | CPU |------------------>| NIC Driver | | | 4 | | +-----+ +------------+ | 6 | Raise soft IRQ | ↓

1：?數(shù)據(jù)包從外面的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入物理網(wǎng)卡。如果目的地址不是該網(wǎng)卡，且該網(wǎng)卡沒(méi)有開啟混雜模式，該包會(huì)被網(wǎng)卡丟棄。

2：?網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)包通過(guò)DMA的方式寫入到指定的內(nèi)存地址，該地址由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)分配并初始化。注： 老的網(wǎng)卡可能不支持DMA，不過(guò)新的網(wǎng)卡一般都支持。

3：?網(wǎng)卡通過(guò)硬件中斷（IRQ）通知CPU，告訴它有數(shù)據(jù)來(lái)了

4：?CPU根據(jù)中斷表，調(diào)用已經(jīng)注冊(cè)的中斷函數(shù)，這個(gè)中斷函數(shù)會(huì)調(diào)到驅(qū)動(dòng)程序（NIC Driver）中相應(yīng)的函數(shù)

5：?驅(qū)動(dòng)先禁用網(wǎng)卡的中斷，表示驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)知道內(nèi)存中有數(shù)據(jù)了，告訴網(wǎng)卡下次再收到數(shù)據(jù)包直接寫內(nèi)存就可以了，不要再通知CPU了，這樣可以提高效率，避免CPU不停的被中斷。

6：?啟動(dòng)軟中斷。這步結(jié)束后，硬件中斷處理函數(shù)就結(jié)束返回了。由于硬中斷處理程序執(zhí)行的過(guò)程中不能被中斷，所以如果它執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致CPU沒(méi)法響應(yīng)其它硬件的中斷，于是內(nèi)核引入軟中斷，這樣可以將硬中斷處理函數(shù)中耗時(shí)的部分移到軟中斷處理函數(shù)里面來(lái)慢慢處理。

內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)模塊

軟中斷會(huì)觸發(fā)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)模塊中的軟中斷處理函數(shù)，后續(xù)流程如下

+-----+ 17 | | +----------->| NIC | | | | |Enable IRQ +-----+ | | +------------+ Memroy | | Read +--------+--------+--------+--------+ +--------------->| NIC Driver |<--------------------- | Packet | Packet | Packet | ...... | | | | 9 +--------+--------+--------+--------+ | +------------+ | | | skb Poll | 8 Raise softIRQ | 6 +-----------------+ | | 10 | | ↓ ↓ +---------------+ Call +-----------+ +------------------+ +--------------------+ 12 +---------------------+ | net_rx_action |<-------| ksoftirqd | | napi_gro_receive |------->| enqueue_to_backlog |----->| CPU input_pkt_queue | +---------------+ 7 +-----------+ +------------------+ 11 +--------------------+ +---------------------+ | | 13 14 | + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + ↓ ↓ +--------------------------+ 15 +------------------------+ | __netif_receive_skb_core |----------->| packet taps(AF_PACKET) | +--------------------------+ +------------------------+ | | 16 ↓ +-----------------+ | protocol layers | +-----------------+

7：?內(nèi)核中的ksoftirqd進(jìn)程專門負(fù)責(zé)軟中斷的處理，當(dāng)它收到軟中斷后，就會(huì)調(diào)用相應(yīng)軟中斷所對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)，對(duì)于上面第6步中是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模塊拋出的軟中斷，ksoftirqd會(huì)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)模塊的net_rx_action函數(shù)

8：?net_rx_action調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)里的poll函數(shù)來(lái)一個(gè)一個(gè)的處理數(shù)據(jù)包

9：?在pool函數(shù)中，驅(qū)動(dòng)會(huì)一個(gè)接一個(gè)的讀取網(wǎng)卡寫到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)包，內(nèi)存中數(shù)據(jù)包的格式只有驅(qū)動(dòng)知道

10：?驅(qū)動(dòng)程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)模塊能識(shí)別的skb格式，然后調(diào)用napi_gro_receive函數(shù)

11：?napi_gro_receive會(huì)處理GRO相關(guān)的內(nèi)容，也就是將可以合并的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并，這樣就只需要調(diào)用一次協(xié)議棧。然后判斷是否開啟了RPS，如果開啟了，將會(huì)調(diào)用enqueue_to_backlog

12：?在enqueue_to_backlog函數(shù)中，會(huì)將數(shù)據(jù)包放入CPU的softnet_data結(jié)構(gòu)體的input_pkt_queue中，然后返回，如果input_pkt_queue滿了的話，該數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄，queue的大小可以通過(guò)net.core.netdev_max_backlog來(lái)配置

13：?CPU會(huì)接著在自己的軟中斷上下文中處理自己input_pkt_queue里的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（調(diào)用__netif_receive_skb_core）

14：?如果沒(méi)開啟RPS，napi_gro_receive會(huì)直接調(diào)用__netif_receive_skb_core

15：?看是不是有AF_PACKET類型的socket（也就是我們常說(shuō)的原始套接字），如果有的話，拷貝一份數(shù)據(jù)給它。tcpdump抓包就是抓的這里的包。

16：?調(diào)用協(xié)議棧相應(yīng)的函數(shù)，將數(shù)據(jù)包交給協(xié)議棧處理。

17：?待內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù)包被處理完成后（即poll函數(shù)執(zhí)行完成），啟用網(wǎng)卡的硬中斷，這樣下次網(wǎng)卡再收到數(shù)據(jù)的時(shí)候就會(huì)通知CPU

enqueue_to_backlog函數(shù)也會(huì)被netif_rx函數(shù)調(diào)用，而netif_rx正是lo設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)調(diào)用的函數(shù)

協(xié)議棧

IP層

由于是UDP包，所以第一步會(huì)進(jìn)入IP層，然后一級(jí)一級(jí)的函數(shù)往下調(diào)：

| | ↓ promiscuous mode && +--------+ PACKET_OTHERHOST (set by driver) +-----------------+ | ip_rcv |-------------------------------------->| drop this packet| +--------+ +-----------------+ | | ↓+---------------------+| NF_INET_PRE_ROUTING |+---------------------+ | | ↓ +---------+ | | enabled ip forword +------------+ +----------------+ | routing |-------------------->| ip_forward |------->| NF_INET_FORWARD | | | +------------+ +----------------+ +---------+ | | | | destination IP is local ↓ ↓ +---------------+ +------------------+ | dst_output_sk | | ip_local_deliver | +---------------+ +------------------+ | | ↓ +------------------+ | NF_INET_LOCAL_IN | +------------------+ | | ↓ +-----------+ | UDP layer | +-----------+

ip_rcv：?ip_rcv函數(shù)是IP模塊的入口函數(shù)，在該函數(shù)里面，第一件事就是將垃圾數(shù)據(jù)包（目的mac地址不是當(dāng)前網(wǎng)卡，但由于網(wǎng)卡設(shè)置了混雜模式而被接收進(jìn)來(lái)）直接丟掉，然后調(diào)用注冊(cè)在NF_INET_PRE_ROUTING上的函數(shù)

NF_INET_PRE_ROUTING：?netfilter放在協(xié)議棧中的鉤子，可以通過(guò)iptables來(lái)注入一些數(shù)據(jù)包處理函數(shù)，用來(lái)修改或者丟棄數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包沒(méi)被丟棄，將繼續(xù)往下走

routing：?進(jìn)行路由，如果是目的IP不是本地IP，且沒(méi)有開啟ip forward功能，那么數(shù)據(jù)包將被丟棄，如果開啟了ip forward功能，那將進(jìn)入ip_forward函數(shù)

ip_forward：?ip_forward會(huì)先調(diào)用netfilter注冊(cè)的NF_INET_FORWARD相關(guān)函數(shù)，如果數(shù)據(jù)包沒(méi)有被丟棄，那么將繼續(xù)往后調(diào)用dst_output_sk函數(shù)

dst_output_sk：?該函數(shù)會(huì)調(diào)用IP層的相應(yīng)函數(shù)將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同下一篇要介紹的數(shù)據(jù)包發(fā)送流程的后半部分一樣。

ip_local_deliver：如果上面routing的時(shí)候發(fā)現(xiàn)目的IP是本地IP，那么將會(huì)調(diào)用該函數(shù)，在該函數(shù)中，會(huì)先調(diào)用NF_INET_LOCAL_IN相關(guān)的鉤子程序，如果通過(guò)，數(shù)據(jù)包將會(huì)向下發(fā)送到UDP層

UDP層

| | ↓ +---------+ +-----------------------+ | udp_rcv |----------->| __udp4_lib_lookup_skb | +---------+ +-----------------------+ | | ↓ +--------------------+ +-----------+ | sock_queue_rcv_skb |----->| sk_filter | +--------------------+ +-----------+ | | ↓ +------------------+ | __skb_queue_tail | +------------------+ | | ↓ +---------------+ | sk_data_ready | +---------------+

udp_rcv：?udp_rcv函數(shù)是UDP模塊的入口函數(shù)，它里面會(huì)調(diào)用其它的函數(shù)，主要是做一些必要的檢查，其中一個(gè)重要的調(diào)用是__udp4_lib_lookup_skb，該函數(shù)會(huì)根據(jù)目的IP和端口找對(duì)應(yīng)的socket，如果沒(méi)有找到相應(yīng)的socket，那么該數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄，否則繼續(xù)

sock_queue_rcv_skb：?主要干了兩件事，一是檢查這個(gè)socket的receive buffer是不是滿了，如果滿了的話，丟棄該數(shù)據(jù)包，然后就是調(diào)用sk_filter看這個(gè)包是否是滿足條件的包，如果當(dāng)前socket上設(shè)置了filter，且該包不滿足條件的話，這個(gè)數(shù)據(jù)包也將被丟棄（在Linux里面，每個(gè)socket上都可以像tcpdump里面一樣定義filter，不滿足條件的數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄）

__skb_queue_tail：?將數(shù)據(jù)包放入socket接收隊(duì)列的末尾

sk_data_ready：?通知socket數(shù)據(jù)包已經(jīng)準(zhǔn)備好

調(diào)用完sk_data_ready之后，一個(gè)數(shù)據(jù)包處理完成，等待應(yīng)用層程序來(lái)讀取，上面所有函數(shù)的執(zhí)行過(guò)程都在軟中斷的上下文中。

socket

應(yīng)用層一般有兩種方式接收數(shù)據(jù)，一種是recvfrom函數(shù)阻塞在那里等著數(shù)據(jù)來(lái)，這種情況下當(dāng)socket收到通知后，recvfrom就會(huì)被喚醒，然后讀取接收隊(duì)列的數(shù)據(jù)；另一種是通過(guò)epoll或者select監(jiān)聽相應(yīng)的socket，當(dāng)收到通知后，再調(diào)用recvfrom函數(shù)去讀取接收隊(duì)列的數(shù)據(jù)。兩種情況都能正常的接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。

結(jié)束語(yǔ)

了解數(shù)據(jù)包的接收流程有助于幫助我們搞清楚我們可以在哪些地方監(jiān)控和修改數(shù)據(jù)包，哪些情況下數(shù)據(jù)包可能被丟棄，為我們處理網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題提供了一些參考，同時(shí)了解netfilter中相應(yīng)鉤子的位置，對(duì)于了解iptables的用法有一定的幫助，同時(shí)也會(huì)幫助我們后續(xù)更好的理解Linux下的網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備。

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