窥秘Linux网络包发送接收流程，探究粘包拆包与缓冲区

2024-02-19 11:20:52

Linux网络包发送/接收的曲折旅途：跨越缓冲区和复制的重重关卡

在Linux系统中，网络通信就像一场精心策划的旅行，网络包如同旅客，需要经历一系列关卡才能到达目的地。这场旅程充满了缓冲区和复制操作，它们的存在保证了网络包能够高效、可靠地在网络世界中穿梭。

当应用程序需要发送数据时，它会将数据交给内核网络协议栈。内核就像一个旅行社，它会将数据复制到一个叫做“套接字缓冲区”的临时存储区域，就像旅客在机场办理登机手续一样。套接字缓冲区是由内核管理的内存区域，专门用于临时存放网络数据。

接下来，网络协议栈会对网络包进行一系列处理，就像海关检查旅客的行李一样。这包括添加报头信息和校验和，就像给行李贴上标签和检查是否有违禁品。这些操作需要将数据从套接字缓冲区复制到另一个名为SKB（套接字缓冲区）的内核数据结构中，SKB就像一个旅行箱，它包含了网络包的头部和数据部分，就像行李箱里装着旅客的物品一样。

处理完成后，SKB会被推送到网络设备的发送队列中，就像旅客排队登机一样。发送队列是由网络设备管理的内存区域，用于存储等待发送的网络包。当网络设备准备好发送时，它会从发送队列中取出一个SKB，并将数据复制到其内部的发送缓冲区中，就像旅客登机后将行李放到行李架上一样。发送缓冲区是网络设备上的一个临时存储区域，用于存储准备发送的数据。

网络设备会将数据从发送缓冲区复制到物理网络介质中，例如网线或光纤，就像飞机起飞将旅客送往目的地一样。当目标主机收到该数据包时，它会将其复制到自己的接收缓冲区中，就像旅客到达目的地后提取行李一样。接收缓冲区是网络设备上的一个临时存储区域，用于存储接收到的数据包。

然后，目标主机的内核会将数据从接收缓冲区复制到SKB中，就像旅客将行李从行李提取处带走一样。SKB随后会被推送到网络协议栈，并在那里进行处理，包括校验和验证和报头信息提取，就像海关检查旅客的行李一样。处理完成后，数据会被复制到应用程序的接收缓冲区中，应用程序就可以访问这些数据了，就像旅客终于拿到了自己的行李，可以开始享受旅程了。

粘包拆包的背后：窥探网络包的分分合合

在网络通信中，网络包就像快递包裹，有时会发生粘包和拆包现象，就像多个包裹被合并成一个大包裹或者一个大包裹被拆分成多个小包裹一样。粘包是指多个网络包被合并为一个较大的包发送，而拆包则是将一个较大的包拆分成多个较小的包发送。粘包拆包的发生主要与网络设备的缓冲区大小、网络拥塞情况和应用程序的发送/接收速率有关，就像快递公司的仓库大小、交通状况和快递员的派送速度会影响包裹的打包和拆包一样。

如果网络设备的缓冲区大小不足以容纳一个完整的数据包，那么该数据包就会被拆分成多个较小的包发送，就像仓库太小，一个大包裹放不下，只能拆成几个小包裹一样。当目标主机收到这些拆分后的数据包时，它需要将它们重新组合成一个完整的包，才能正确处理，就像收件人收到几个小包裹后，需要把它们合并成一个大包裹才能知道里面装的是什么一样。

如果网络拥塞，那么网络设备可能会出现缓冲区溢出问题，就像交通拥堵，仓库堆满了包裹一样。为了避免数据丢失，网络设备可能会将数据包丢弃或合并为一个较大的包发送，就像快递公司为了避免包裹丢失，可能会把一些包裹合并成一个大包裹一起运送一样。当目标主机收到这些合并后的数据包时，它需要将它们拆分成多个较小的包，才能正确处理，就像收件人收到一个大包裹后，需要把它拆开才能拿到里面的东西一样。

应用程序的发送/接收速率也会影响粘包拆包的发生，就像快递员的派送速度会影响包裹的打包和拆包一样。如果应用程序的发送速率过快，那么网络设备的缓冲区可能会被填满，导致粘包或丢包，就像快递员送货太快，仓库来不及处理，就会导致包裹堆积或者丢失一样。如果应用程序的接收速率过慢，那么网络设备可能会将数据包合并为一个较大的包发送，以提高传输效率，就像快递员送货太慢，快递公司为了提高效率，可能会把一些包裹合并成一个大包裹一起送一样。

TCP滑动窗口与拥塞窗口：流量控制与拥塞避免的利器

TCP协议就像一个经验丰富的交通指挥员，它为了保证网络通信的可靠性和效率，引入了滑动窗口和拥塞窗口的概念，就像交通指挥员为了保证交通畅通和安全，会设置红绿灯和限速标志一样。滑动窗口用于控制发送方能够发送的数据量，而拥塞窗口用于控制发送方能够在网络中拥塞的情况下发送的数据量，就像红绿灯控制车辆通行，限速标志控制车辆速度一样。

滑动窗口的大小由接收方决定，它告诉发送方可以发送多少数据，而无需等待确认，就像接收方告诉发送方可以一次发送多少货物，而不用等收到货物后再通知一样。当接收方收到数据时，它会发送一个确认（ACK）报文段给发送方，以告知发送方已经正确接收了这些数据，就像接收方收到货物后，会给发送方发一个确认信息，告诉发送方货物已经收到了。发送方收到ACK报文段后，就可以发送更多的数据，就像发送方收到确认信息后，就可以继续发送下一批货物一样。

拥塞窗口的大小由发送方根据网络拥塞情况动态调整，它限制了发送方在网络拥塞时能够发送的数据量，就像交通拥堵时，交通指挥员会限制车辆进入拥堵路段一样。当网络出现拥塞时，发送方会减小拥塞窗口的大小，以减少网络负载，就像交通拥堵时，交通指挥员会减少进入拥堵路段的车辆数量一样。当网络拥塞缓解时，发送方会逐渐增大拥塞窗口的大小，以提高网络利用率，就像交通拥堵缓解后，交通指挥员会逐渐增加进入该路段的车辆数量一样。