Linux-TCPIP协议栈（基于3.10）.pdf

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第一章网络子系统初始化

1.1 网络初始化函数调用顺序

1.2 调用函数浅析

1.2.1 core目录下

2015 TCP/IP 网络协议栈基于 linux 3.10 分为上篇和下篇，上篇共九章，部侧重于 TCP/IP 数据收发流程，即 OSI 模型的 IP 和 TCP 层，下篇也是九章，并不属于 TCP/IP 本身，但是多少和网络有关且常用到，比如 LC-trie 路由、netfilter 包过滤防火、还有一些网络相关的命令行工具等，文末给出 IPV6 的协议栈模型图，此外还给出了测试源码。葛世超定价 0 元 2015/4/22

第零章内核网络相关配置选项 ............................................................................................... 5 0.1 Kconfig 选项 ....................................................................................................... 5 0.2 ip-sysctl 意义 ................................................................................................................... 8 第一章网络子系统初始化 ............................................................................................ 9 1.1 网络初始化函数调用顺序 ............................................................................................. 9 1.2 调用函数浅析 .............................................................................................................. 12 1.3 inet_init ......................................................................................................................... 16 1.4 总结 .............................................................................................................................. 21 第二章主机到网络层（网卡） ........................................................................................... 22 2.1 TCP/IP 协议栈模型 ....................................................................................................... 22 2.2 网卡数据结构 .............................................................................................................. 22 2.3 网卡注册流程 .............................................................................................................. 26 第三章套接字相关数据结构 ............................................................................................... 31 3.1 socket 对应的内核结构体 ............................................................................................ 31 3.2 struct proto_ops ............................................................................................................ 33 3.3 struct proto .................................................................................................................... 33 3.4 sk_buff(SKB)................................................................................................................... 34 3.5 softnet_data .................................................................................................................. 35 3.6 struct packet_type ......................................................................................................... 36 3.7 一些名词简称 .............................................................................................................. 36 第四章网络层接收数据包流程 ........................................................................................... 37 4.1 主机到网络层的过渡 .................................................................................................. 37 4.2 进入网络层 .................................................................................................................. 40 第五章传输层（tcp）到网络层（ip） ............................................................................... 44 第六章应用层 ....................................................................................................................... 49 第七章 tcp 发送（传输层) .................................................................................................... 55 7.2 MSS ............................................................................................................................ 69 第八章 tcp 接（传输层) ........................................................................................................ 70 第九章 tcp 拥塞控制 ............................................................................................................. 79 9.1 CUBIC 拥塞控制 ............................................................................................................ 79 cubic 使用的算法 ............................................................................................................ 79

cubic 慢启动门限阈值 .................................................................................................... 79 9.2 cubic 拥塞代码实现 ...................................................................................................... 82 慢启动 slow start ............................................................................................................ 82 拥塞避免 congestion avoid .......................................................................................... 83 快速重传和快速恢复 ..................................................................................................... 85 下篇杂项汇总 ....................................................................................................................... 86 第十章网络工具 ................................................................................................................... 87 10.1 ss .................................................................................................................................. 87 10.2 netstat ......................................................................................................................... 88 列标题 ............................................................................................................................. 88 常用选项 ......................................................................................................................... 89 10.3 netstress ...................................................................................................................... 89 10.4 netperf 参考 ................................................................................................................ 90 10.5 iperf ............................................................................................................................. 90 10.6 iptraf ............................................................................................................................ 90 10.7 TcpDump ..................................................................................................................... 91 10.7.1 数据过滤 ............................................................................................................. 91 10.7.2 输入输出 ............................................................................................................. 92 10.8 nicstat .......................................................................................................................... 92 10.8.1 nicstat 的安装: ..................................................................................................... 92 10.8.2 nicstat 使用 .......................................................................................................... 93 10.9 ethtool 工具： ............................................................................................................ 95 第十一章 Linux 包过滤防火墙-netfilter iptables ................................................................. 96 11.1 netfilter 框架 ............................................................................................................... 96 11.2 防火墙规则表 .......................................................................................................... 104 11.2.1 xt_init 初始化防火墙表 ..................................................................................... 106 11.2.2 规则的组成 ....................................................................................................... 108 11.3 防火墙规则遍历 ...................................................................................................... 110 11.3.2 Hook 函数 .......................................................................................................... 117 11.4 iptables ...................................................................................................................... 123 第十二章路由 ..................................................................................................................... 124 12.1 路由核心数据结构 ................................................................................................... 124

12.2 LC-trie（字典树、单词查找树） ............................................................................ 127 12.3 ifconfig ....................................................................................................................... 132 12.3.1 /proc/net/路由下路由信息 ............................................................................... 132 12.3.2 路由通知链函数的注册 ................................................................................... 133 12.3.3 ifconfig 调用流程 ............................................................................................... 134 12.3.4 put_child ............................................................................................................. 153 12.4 route 添加路由项 ..................................................................................................... 154 12.5 路由缓存 .................................................................................................................. 161 12.5.1 路由缓存的查找 ............................................................................................... 161 12.5.2 路由缓存的创建 ............................................................................................... 162 12.5.3 路由缓存的内存管理 ....................................................................................... 166 12.6 路由查找 .................................................................................................................. 166 12.6.1 相关数据结构 ................................................................................................... 166 12.6.2 接收包路由项查找 ........................................................................................... 170 第十三章网络命名空间 ..................................................................................................... 177 13.1 命名空间创建 .......................................................................................................... 177 13.2 网络命名空间管理 .................................................................................................. 178 第十四章 netlink 机制 ......................................................................................................... 181 14.1 netlink 支持的通信 ................................................................................................... 181 14.2 netlink 用户空间 API ................................................................................................ 184 14.3 netlink 内核空间 API ................................................................................................ 184 第十五章提升网络性能技术 ............................................................................................. 188 15.1 TSO/GSO .................................................................................................................... 189 15.2 LRO/GRO .................................................................................................................... 191 15.3 RSS（Receive Side Scaling）队列： ......................................................................... 196 15.4 RPS（Receive Packet Steering）队列： .................................................................. 196 15.5 RFS(Receive Flow Steering)，Accelerated Receive Flow Steering ............................ 199 15.6 XPS（Transmit Packet Steering） ............................................................................. 200 第十六章 PHY ...................................................................................................................... 203 16.1 PHY ............................................................................................................................ 203 16.2 MAC 驱动 .................................................................................................................. 205 16.3 PHY 驱动 ................................................................................................................... 209

16.3.1 PHY 初始化......................................................................................................... 209 16.3.2 PHY 驱动实例..................................................................................................... 211 16.3.3 PHY 状态机......................................................................................................... 213 第十七章 ping-icmp ............................................................................................................. 218 第十八章 ipv6 简介 ............................................................................................................. 223 附录 tcp 测试程序 ............................................................................................................... 224 TCP/IP 状态图 ....................................................................................................................... 227 参考文献 ............................................................................................................................... 228

第零章内核网络相关配置选项 0.1 Kconfig 选项基于嵌入式，可能略有不同 packet protocol 被直接和网络设备通信的应用程序使用，其没有使用内核的其它协议，像 tcpdump 支持需要使能该选项，af_packet。 <*> Packet socket 支持 PF_PACKET 套接字，ss 之类工具监控接口（eth0...）会使用这类套接字 < > Packet: sockets monitoring interface //UNIX 域套接字，即使没有联网 Xwindow 和 syslog 也会使用 UNIX 域套接字。强烈建议该选项为 Y <*> Unix domain sockets 支持 ss 工具使用的 Unix 域套接字来监控 interface <*> UNIX: socket monitoring interface 支持 XFRM（Transformation），对接收到的数据包经过路由时会被修改； < > Transformation user configuration interface [ ] Transformation sub policy support [ ] Transformation migrate database [ ] Transformation statistics PF_KEYv2 套接字协议族，如果使用移植于 KAME 的 IPsec 工具，该选项需要。 < > PF_KEY sockets 会使内核增加 400KB [*] TCP/IP networking 多播，内核增加 2KB，对于 MBONE（Multicast backbone），一个应用场景是影音节目的全球广播。 [*] IP: multicasting 这个选项用于支持网络数据包的 forward 和 redistribute，并不包括路由的基本配置。 [*] IP: advanced router //路由的 TRIE 表统计，测试 TRIE 算法的性能 [ ] FIB TRIE statistics 通常路由根据接收到的数据包最终目的地址决策数据包的命运，如果使用策略路由，那么源地址、 TOS 也会被考虑进去。 [ ] IP: policy routing 通常，对一个数据包路由表会明确给出一个路径；如果配置该选项，对一个给定的数据包将可能存在多种路径，路由会将这些路径当成开销是一样的，对路径的选择将是不确定的。 [ ] IP: equal cost multipath klogd 将导出路由信息。

[ ] IP: verbose route monitoring 内核启动时将允许设备的 IP 地址和路由表的自动配置。配置的依据是内核命令行或者 BOOTP、 RARP 协议。无盘系统启动需要配置此选项。 [ ] IP: kernel level autoconfiguration 隧道，将一个协议的数据封装在另一个协议中，通过一个支持封装协议的通道发送。这里是 IP 封装 IP 的隧道支持，可用于支持主机伪装和移动 IP < > IP: tunneling 解 GRE（Generic Routing Encapsulation）包，使用 ip_gre 和 pptp（point to point Tunning Protocol）点对点隧道协议，则需要配置该选项。 < > IP: GRE demultiplexer 多目的地址路由支持。MBNOE [ ] IP: multicast routing 内核维持一个 IP 映射到 MAC 的 cache，ARP 协议负责该映射，如果想支持用户空间 daemon 完成地址解析，这里配置上就行 [ ] IP: ARP daemon support TCP/IP 网络易受 SYN 攻击，DOS 攻击阻止了合法用户建立连接；SYN cookie 方法使用加密的方法能够在主机收到攻击时仍然可以通信。 [ ] IP: TCP syncookie support 支持 IPsec AH（Authentication Header），见 http://en.wikipedia.org/wiki/IPsec < > IP: AH transformation 支持 IPsec ESP (Encapsulating Security Payload) < > IP: ESP transformation IP Payload Compression Protocol (IPComp) (RFC3173),IPsec 需要 < > IP: IPComp transformation Support for IPsec transport mod < > IP: IPsec transport mode Support for IPsec tunnel mode < > IP: IPsec tunnel mode Support for IPsec BEET mode < > IP: IPsec BEET mode Support for Large Receive Offload (ipv4/tcp) <*> Large Receive Offload (ipv4/tcp) Support for INET (TCP, DCCP, etc) socket monitoring interface used by native Linux tools such as ss. ss is included in iproute2 < > INET: socket monitoring interface various TCP congestion control CUBIC TCP、 H-TCP、TCP Westwood+、Binary Increase Congestion (BIC) control，默认使用 cubic 算法 [ ] TCP: advanced congestion control --->

RFC2385 specifies a method of giving MD5 protection to TCP sessions. [ ] TCP: MD5 Signature Option support (RFC2385) <*> The IPv6 protocol ---> 网络数据包 security marking [ ] Security Marking PHY 设备对数据包进行时间戳标记 [ ] Timestamping in PHY devices netfilter，1、透明代理 2、包过滤防火墙。 [*] Network packet filtering framework (Netfilter) ---> Datagram Congestion Control Protocol < > The DCCP Protocol ---> Stream Control Transmission Protocol < > The SCTP Protocol ---> RDS (Reliable Datagram Sockets) protocol，provides reliable, sequenced delivery of datagrams over Infiniband, iWARP, or TCP. < > The RDS Protocol Transparent Inter Process Communication (TIPC) protocol， < > The TIPC Protocol ---> ATM is a high-speed networking technology for Local Area Networks and Wide Area Networks. < > Asynchronous Transfer Mode (ATM) 对于 PVC（permanent virtual circuit）和 SVC（switched virtual circuits）下的基于 ATM （Asynchronous Transfer Mode）的经典 IP 支持 Classical IP over ATM 如果邻居没有发现时，则不发送“ICMP host unreachable”消息 [ ] Do NOT send ICMP if no neighbor 模拟 LAN LAN Emulation (LANE) support ATM 之上的 Multi-Protocol 使得 ATM 边缘设备（边缘设备是指提供服务入口点的设备，如路由器等）和 ATM 主机在子网边界建立直接的 ATM 虚拟电路。 Multi-Protocol Over ATM (MPOA) support RFC1483/2684 Bridged protocols [ ] Per-VC IP filter kludge < > Layer Two Tunneling Protocol (L2TP) ---> 以太网桥支持。 < > 802.1d Ethernet Bridging [*] IGMP/MLD snooping [ ] VLAN filtering (NEW)

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