[架构之路-44]：目标系统 – 系统软件 – Linux下的网络通信-4-Linux内核网络协议栈、网络配置命令、网络服务启动

目录

前言：

第1章 Linux网络概述

1.1 TCP/IP网络协议栈架构

1.2 Linux网络协议栈

1.3 Linux 网络收发流程

1.4 Linux网络用户空间应用程序与Linux内核网络协议栈

第2章 如何通过用户空间命令来配置Linux网络

2.1 IP层命令

2.2 TCP/UDP层相关命令

2.3 应用层相关命令

2.4 它山之石

第3章 配置Linux的网络服务

3.1 Linux 启动、关闭、重启网络服务的两种方式

3.2 显示网络服务

3.3 常见的网络服务

前言：

Linux提供了TCP/IP全套的协议栈的代码实现，但我们还是需要知道：如何配置、使能、监控这些协议栈，使之能够正常工作。

第1章 Linux网络概述

1.1 TCP/IP网络协议栈架构

我们从上到下来看这个网络栈，可以发现：

• 最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互；
• 套接字的下面，就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层；
• 最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。
• 网络包的处理非常复杂，网卡驱动程序在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。

1.2 Linux网络协议栈

在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再发送给下一层。

当然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层，一个提供 REST API 的应用，可以使用 HTTP 协议，把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中，然后向下传递给 TCP 层。

而封装做的事情就很简单了，只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。

比如，以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。

1.3 Linux 网络收发流程

（1）网络包的接收流程

• 当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；
• 然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。
• 接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；
• 然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。
• 接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。
• 在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（比如 IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
• 网络层取出 IP 头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（比如 TCP 还是 UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。
• 传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 四元组作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。
• 最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。

下面这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

（2）网络包的发送流程

了解网络包的接收流程后，就很容易理解网络包的发送流程。

网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。

• 首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。
• 由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
• 接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。
• 分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。
• 最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。

1.4 Linux网络用户空间应用程序与Linux内核网络协议栈

（1）Linux内核空间程序负责：驱动程序（物理层、MAC层）、IP层、TCP/UDP层、Socket接口

（2）Linux用户空间程序负责：应用程序层，如HTTP, SSH。

（3）网络：多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。

（4）socket接口：应用程序通过套接字接口发送数据包，先要在网络协议栈中从上到下进行逐层处理，最终再送到网卡发送出去。而接收时，同样先经过网络栈从下到上的逐层处理，最终才会送到应用程序。

1.5 Linux网络通信的问题

第2章 如何通过用户空间命令来配置Linux网络

2.1 IP层命令

（1）ifconfig

ifconfig命令用于显示或设置网络设备，来源于 net-tools 工具包

格式：

参数说明：

示例：

（2）ip

ip 命令和 ifconfig 类似，但前者功能更强大，并旨在取代后者。使用 ip 命令，只需一个命令，你就能很轻松地执行一些网络管理任务。ifconfig 是 net-tools 中已被废弃使用的一个命令，许多年前就已经没有维护了。iproute2 套件里提供了许多增强功能的命令，ip 命令即是其中之一。

 示例：

（3）ping

Linux ping 命令用于检测主机，执行 ping 指令会使用 ICMP 传输协议，发出要求回应的信息，若远端主机的网络功能没有问题，就会回应该信息，因而得知该主机运作正常。

格式：

示例：

（4）route

route 命令用于显示和操作 IP 路由表。

格式：

来源：文火冰糖的硅基工坊
                                                        
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