轉自：http://blog.csdn.net/xy010902100449/article/details/47428187
本文將介紹網絡連接建立的過程、收發包流程，以及其中應用層、tcp層、ip層、設備層和驅動層各層發揮的作用。
1、應用層
對於使用socket進行網絡連接的服務器端程序，我們會先調用socket函數創建一個套接字：
- fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
以上指定了連接協議，socket調用返回一個文件句柄，與socket文件對應的inode不在磁盤上，而是存在於內存。
之後我們指定監聽的端口、允許與哪些ip建立連接，並調用bind完成端口綁定：
- server_addr.sin_family = AF_INET;
- server_addr.sin_port = htons(PORT);
- server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
- bind(fd, (struct sockaddr_in *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
端口作爲進程的標識，客戶端根據服務器ip和端口號就能找到相應進程。
接着我們調用listen函數，對端口進行監聽：
- listen(fd, backlog);
backlog值指定了監聽隊列的長度，以下內核參數限制了backlog可設定的最大值：
- linux # sysctl -a | grep somaxconn
- net.core.somaxconn = 128
監聽端口在listen調用後變爲LISTEN狀態：
- linux # netstat -antp | grep 9999
- Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name
- tcp 0 0 0.0.0.0:9999 0.0.0.0:* LISTEN 8709/server
相應地，客戶端調用connect進行連接，tcp三次握手在connect調用返回之前完成：
如果服務器端向客戶端發送SYN＋ACK後，客戶端不返回ACK，則服務器保持半連接(SYN_RECV)狀態：
- linux # netstat -np | grep SYN_RECV
- tcp 0 0 0.0.0.0:9999 127.0.0.0.1:5334 SYN_RECV -
若隊列中的連接均處於半連接狀態，服務器將不能處理正常的請求，syn泛洪攻擊(syn flood)就是利用這個特點完成DoS(拒絕服務攻擊)。
當連接數超過隊列長度backlog時，超出的連接也保持爲半連接狀態，直到數量達到內核參數tcp_max_syn_backlog值，超出該值的連接請求將被丟棄：
- linux # sysctl -a | grep tcp_max_syn
- net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 1024
accept調用用於處理新到來的連接：
- new_fd = accept(fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &sin_size);
其返回一個文件描述符，後續我們可以對該文件描述符調用write、read等操作函數，原監聽端口仍處於LISTEN狀態：
- linux # netstat -antp | grep 9999
- tcp 0 0 0.0.0.0:9999 0.0.0.0:* LISTEN 8709/server
- tcp 0 0 127.0.0.1:9999 127.0.0.1:52274 ESTABLISHED -
以上爲網絡連接建立過程中，應用層所做的工作，server端完成了socket創建、端口綁定、端口監聽、連接和收發包任務，而client端相對簡單，只需包含連接和收發包。
2、tcp層
內核代碼中，tcp_sendmsg是tcp發包的主入口函數，該函數中struct sk_buff結構用於描述一個數據包。
對於超過MTU(maximum transmission unit, 最大傳輸單元)的數據包，tcp層會對數據包進行拆分，若開啓了網口的tcp segmentation offload功能，則拆分工作由網卡完成：
- linux # ethtool -k ether
- Offload parameters for eth1:
- rx-checksumming: on
- tx-checksumming: on
- scatter-gather: on
- tcp segmentation offload: on
以下內核參數是內核爲tcp socket預留的用於發送數據包的緩衝區大小，單位爲byte：
- linux # sysctl -a | grep tcp_wmem
- net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 131072
默認的用於包發送的緩衝區大小爲16M。
除了用於緩衝收發數據包，對於每個socket，內核還要分配一些數據結構用於保持連接狀態，內核對tcp層可使用的內存大小進行了限制：
- linux # sysctl -a | grep tcp_mem
- net.ipv4.tcp_mem = 196608 262144 393216
以上值以頁爲單位，分別對應最小值、壓力值和最大值，並在系統啓動、tcp棧初始化時根據內存總量設定。通過proc提供的接口，我們可以查到tcp已用的內存頁數：
- linux # cat /proc/net/sockstat
- sockets : used 91
- TCP : inuse 8 orphan 0 tw 11 alloc 13 mem 2
3、ip層
內核代碼中，ip_queue_xmit函數是ip層的主入口函數，注意ip層與tcp層操作的都是同一塊內存(sk_buff結構)，期間並沒有發生數據包相關的內存拷貝。
ip層主要完成查找路由的任務，其根據路由表配置，決定數據包發往哪個網口，另外，該層實現netfilter的功能。
4、網絡設備層
dev_queue_xmit是網絡設備層的主入口函數，該層爲每個網口維護一條數據包隊列，由ip層下發的數據包放入對應網口的隊列中。在該層中，數據包不是直接交給網卡，而是先緩衝起來，再通過軟中斷(NET_TX_SOFTIRQ)調用qdisc_run函數，該函數將數據包進一步交由網卡處理。我們執行ifconfig時，txqueuelen指示了網絡設備層中，網口隊列的長度。
5、驅動層
使用不同驅動的網卡，相應的驅動層代碼就不一樣，這裏以e1000網卡爲例。e1000_xmit_frame是該層的主入口函數，該層利用環形隊列進行數據包管理，由兩個指針負責維護環形隊列。執行ethtool命令，我們可以查詢網口驅動層環形隊列長度：
- linux # ethtool -g eth1
- Ring parameters for ether
- Pre-set maximums:
- RX : 511
- RX Mini : 0
- RX Jumbo : 0
- TX : 511
- Current hardware settings:
- RX : 200
- RX Mini : 0
- RX Jumbo : 0
- TX : 511
以上RX與TX分別指示收包隊列與發包隊列長度，單位爲包個數。
網卡接收到數據包時將產生中斷，以通知cpu數據包到來的消息，而網卡接收包又非常繁忙，如果每次收發包都向cpu發送硬中斷，那cpu將忙於處理網卡中斷。
相應的優化方案是NAPI(New API)模式，其關閉網卡硬中斷，使網卡不發送中斷，而非使cpu不接收網卡中斷。在e1000驅動代碼中，由e1000_clean函數實現NAPI模式。
不像寫文件的過程，磁盤設備層完成內存數據到磁盤拷貝後，會將消息層層上報，這裏的網卡驅動層發包後不會往上層發送通知消息。
收包過程
以上爲網絡發包所需經過的層次結構，以及各層的大體功能，下面我們簡單看下收包過程。
網卡接收到數據包後，通知上層，該過程不會發生拷貝，數據包丟給ip層。
內核代碼中，ip_rcv是ip層收包的主入口函數，該函數由軟中斷調用。存放數據包的sk_buff結構包含有目的地ip和端口信息，此時ip層進行檢查，如果目的地ip不是本機，則將包丟棄，如果配置了netfilter，則按照配置規則對包進行轉發。
tcp_v4_rcv是tcp層收包的接收入口，其調用__inet_lookup_skb函數查到數據包需要往哪個socket傳送，之後將數據包放入tcp層收包隊列中，如果應用層有read之類的函數調用，隊列中的包將被取出。
tcp層收包使用的內存同樣有限制：
- linux # sysctl -a | grep rmem
- net.ipv4.tcp_rmem = 4096 16384 131072