深入分析Linux协议栈实现 (linux协议栈实现分析)

Linux操作系统作为开源的操作系统，在近几十年发展历程中得到了越来越广泛的应用，其中，Linux协议栈的实现也成为了Linux操作系统开发中重要的组成部分。本文将对Linux协议栈的实现进行深入分析。

一、Linux协议栈简介

Linux协议栈是Linux操作系统中的一项重要功能，它负责处理网络数据的收发，包括数据的分组、封装、解封、路由、转发等。由于它的重要性，Linux协议栈在Linux内核中的代码实现也有着非常高的规模和复杂度。

Linux协议栈最初的设计是基于BSD协议栈的，因此在一些方面，两者有些相似之处。不过，Linux系统在每个协议层都做了一些改进和扩展，在对于协议的实现上更加灵活。

Linux协议栈主要由如下的层次构成：

– 物理层：负责与物理网络设备的接口，向上提供MAC层接口

– 数据链路层：负责处理网络数据链路层的协议，如ARP、RARP等

– 网络层：负责IP协议的实现，并提供相应的路由、转发等功能

– 传输层：实现TCP、UDP等传输协议

– 应用层：提供各种网络应用服务，如HTTP、FTP等

二、物理层和数据链路层的实现

物理层和数据链路层是协议栈中最基础的层，它们主要负责的工作是将数据从网卡或者其他网络设备以标准格式发送出去，或者接收到数据时进行解析和处理，将数据传递到上一层。

对于物理层和数据链路层的实现来说，最重要的就是驱动程序的编写。因为Linux操作系统支持的硬件设备类型非常多，每个硬件设备都需要有相应的驱动进行支持。当数据接收到来时，驱动程序会将其写入到内存缓冲区中；当要发送数据时，驱动程序则从内存缓冲区中获取数据，并通过相应的物理设备发送出去。

三、网络层的实现

网络层主要负责实现IP协议，其作用包括数据包的路由和转发等。当数据包从物理层到达网络层时，网络层会根据目的IP地址，选择适当的输出接口和下一跳。

Linux协议栈中的网络层实现主要包括了IPv4和IPv6两种IP协议。在网络层实现的过程中，需要将收集到的数据进行分类和处理，并且通过一些算法来实现路由和转发。

四、传输层的实现

传输层的主要作用是实现TCP、UDP等传输协议。传输层通过定义端口号来实现数据的分流。每个端口会对应着不同的应用层协议，如80端口对应着HTTP服务，21端口对应着FTP服务等。

在Linux协议栈中，TCP和UDP的实现使用了Socket接口，因此，Socket的运作机制也是TCP/UDP实现的核心所在。Socket存在于用户空间中，它是一种通信机制，可以将数据在应用层和内核之间进行传输。

五、应用层的实现

应用层主要负责各种网络应用服务的实现，如Web服务、文件传输等等。在Linux协议栈中，应用层的实现与传输层是相互衔接的。

在应用层实现中，比较有代表性的应用是HTTP服务，这是一种基于Web的应用服务。在HTTP服务中，客户端通过URL提交请求，Web服务器则响应请求，返回请求结果。

六、

Linux协议栈作为Linux操作系统中的重要部分，实现了网络数据传输的所有功能，其代码规模和复杂度也非常高。在使用Linux操作系统进行网络开发时，我们需要充分了解协议栈的实现原理，以便能够更好的发挥其功能。

Linux协议栈实现的深入研究和分析，对于我们理解网络运行的原理以及解决网络延迟、错误等问题，都有着重要作用。

相关问题拓展阅读：

• （八）Linux系统内核的路由转发
• Linux内核源码解析-list.h

（八）Linux系统内核的路由转发

姓名：黄婷    学号：学院：电子工程学院

转自：

【嵌牛导读】Linux系统内核的路由转发

【嵌牛鼻子】Linux系统   内核的路由转发

【嵌牛提问】什么是Linux系统内核的路由转发？

【嵌牛正文】

Linux操作系统嵌入了 TCP /IP协议栈，协议软件具有路由转发功能。路由转发依赖作早唤侍为路由器的主机中安装多块 网卡 ，当某一块网卡接收到数据包后，系统内核会根据数据包的目的IP地址，查询 路链敬由表 ，然后根据查询结果将数据包发送到另外一块网卡，最后通过此网卡把数据包发送出去。此主机的处理过程就是路由器完成的核心功能。

通过修改Linux系统内核参数ip_forward的方式实现路由功能，系统使用sysctl命令配置与显示在/proc/sys目录中的内核参数。首先在命令陆吵行输入：cat/proc/sys/net/ipv4/ip_forwad，检查Linux内核是不是开启IP转发功能。如果结果为1，表明路由转发功能已经开启；如果结果为0，表明没有开启。出于安全考虑，Linux内核默认是禁止数据包路由转发的。在linux系统中，有临时和永久两种方法启用转发功能。  

临时启用：此种方法只对当前会话起作用，系统重启后不再启用。临时开启的命令格式：sysctl–wnet.ipv4.ip_forward=1。  

Linux内核源码解析-list.h

开头就说明了这里的 list.h 文件来自 Linux Kernel （ */include/linux/list.h ），只是去除了列表项的硬件预加载部分。

进行宏替换后就是

Note:

没搞懂这里为什么加个 osn 前缀，原本是 list_add ，现在是 osn_list_add 。

可以看到就是个简单的链表节点删除过程，同时把删除节点的前后指针设为无法访问。

删除节点后初始化，前后指针都指向自己

从A链表删除后头插法插入B链表

从A链表删除后尾插法插入B链表

先对 list 判空，非空就把 list 链表除头节点外裁剪到 head 头节点在的链表中。函数不安全， list 节点可以继续访问其他节点。

多了一步 list 重新初始化的过程。

(unsigned long)(&((type *)0)->member))) 将0x0地址强制转换为 type * 类型，然后取 type 中的成员 member 地址，因为起始地址为0，得到的 member 的地址就直接是该成员相对于 type 对象的偏移地址了。

所以该语句的功能是：得到 type 类型对象中 member 成员的地址偏移量。

先将 ptr 强制转换为 char * 类型（因为 char * 类型进行加减的话，加减量为 sizeof(char)*offset ， char 占一个字节空间，这样指针加减的步长就是1个字节，实现加一减一。）

整句话的意思就是：得到指向 type 的指针，已知成员的地址，然后减去这个成员相对于整个结构对象的地址偏移量，得到这个数据对象的地址。

就是从前往后，从后往前的区别

Note:

从head节点开始（不包括head节点！）遍历它的每一个节蠢毁点！它用n先将下一个要遍历的节点保存起来，防止删除本节点后，无法找到下一个节点，而出现错误！

已知指向某个结构体的指针pos，以及指向它中member成员的指针head，从下一个结构体开始向后遍历这个结构体链

Note:

同理，先保存下一个要遍悄老历的节点！从head下一个节启档升点向后遍历链表。

list.h使用说明

linux内核list.h分析(一)

linux内核list.h分析(二)

【Linux内核数据结构】最为经典的链表list

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