Linux内核的 协议栈的体系结构图

数据包处理过程来⾃链接：这篇⽂档是基于 x86 体系结构和转发 IP 分组的。

数据包在 Linux 内核链路层路径2 接收分组2.1 接收中断如果⽹卡收到⼀个和⾃⼰ MAC 地址匹配或链路层⼴播的以太⽹帧，它就会产⽣⼀个中断。

此⽹卡的驱动程序会处理此中断：从 DMA/PIO 或其他得到分组数据，写到内存⾥去；接着，会分配⼀个新的套接字缓冲区 skb ，并调⽤与协议⽆关的、⽹络设备均⽀持的通⽤⽹络接收处理函数netif_rx(skb) 。

netif_rx() 函数让内核准备进⼀步处理 skb 。

然后， skb 会进⼊到达队列以便 CPU 处理（对于多核 CPU ⽽⾔，每个 CPU 维护⼀个队列）。

如果 FIFO队列已满，就会丢弃此分组。

在 skb 排队后，调⽤ __cpu_raise_softirq() 标记 NET_RX_SOFTIRQ 软中断，等待 CPU 执⾏。

⾄此， netif_rx() 函数调⽤结束，返回调⽤者状况信息（成功还是失败等）。

此时，中断上下⽂进程完成任务，数据分组继续被上层协议栈处理。

2.2 softirq 和 bottom half内核 2.4 以后，整个协议栈不再使⽤ bottom half （下半⽂，没找到好的翻译），⽽是被软中断 softirq 取代。

软中断 softirq 优势明显，可以同时在多个 CPU 上执⾏；⽽ bottom half ⼀次只能在⼀个 CPU 上执⾏，即在多个 CPU执⾏时严格保持串⾏。

中断服务程序往往都是在 CPU 关中断的条件下执⾏的，以避免中断嵌套⽽使控制复杂化。

但是 CPU 关中断的时间不能太长，否则容易丢失中断信号。

为此， Linux 将中断服务程序⼀分为⼆，各称作“ Top Half ”和“ Bottom Half ”。

前者通常对时间要求较为严格，必须在中断请求发⽣后⽴即或⾄少在⼀定的时间限制内完成。

因此为了保证这种处理能原⼦地完成， Top Half 通常是在 CPU 关中断的条件下执⾏的。

linux 协议栈Linux协议栈，又称网络协议栈，是指在Linux操作系统中负责处理网络通信传输的一系列协议和软件集合。

它是实现网络通信的核心组件，负责在应用层和网络硬件之间进行数据传输和信息处理。

Linux协议栈由多个协议层组成，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

物理层负责将数据从高层转化为物理信号进行传送，而数据链路层负责将数据在网络间的传递过程中进行帧的封装和解封装，以及网卡的驱动程序。

网络层则负责寻址和路由功能，传输层实现了可靠的端到端通信，应用层提供了各种网络服务。

在物理层的硬件设备中，网络接口卡（NIC）是协议栈与外部网络通信的接口。

协议栈通过驱动程序与NIC进行交互，将数据封装成数据包，并通过数据链路层将数据发往目的地。

在数据链路层，协议栈通过各种链路层协议（如以太网协议）进行数据帧的封装和解封装。

网络层则根据不同的网络协议（如IP协议）进行寻址和路由，将数据从源主机传送到目的主机。

传输层通过传输协议（如TCP或UDP）实现端到端的可靠数据传输。

而应用层则提供了各种网络服务，如HTTP、FTP、DNS等。

Linux协议栈的优点在于其开放源代码的特性和丰富的功能。

由于其开源的特性，用户可以自由地进行定制和修改。

并且，Linux协议栈支持多种网络协议和服务，如IP、TCP、UDP、FTP等。

这使得Linux操作系统具有很高的灵活性和可扩展性，能够满足不同的用户需求。

另外，由于众多开发者的贡献和不断的更新迭代，Linux协议栈也具有较高的稳定性和安全性。

然而，Linux协议栈也存在一些挑战和问题。

对于一些特殊的应用场景和网络需求，Linux协议栈可能无法提供最佳的性能和效果。

此外，在网络安全方面，由于Linux协议栈的复杂性和开放性，也面临着一些潜在的安全风险和漏洞。

总的来说，Linux协议栈是Linux操作系统中的重要组件，负责处理网络通信传输。

它由多个协议层组成，实现了从物理层到应用层的数据传输和处理。

linux操作系统体系结构Linux操作系统采用了一种模块化的设计，它的体系结构可以分为用户空间和内核空间两个部分。

用户空间提供了用户与操作系统之间的接口，而内核空间则负责管理系统的资源和提供各种功能的实现。

内核空间是Linux操作系统的核心，它负责管理计算机的硬件资源、处理系统的中断和异常，并为用户空间提供各种系统调用的接口。

Linux的内核是一个可靠、高效、可扩展的设计，它能够运行在多种硬件平台上。

内核包括了许多模块，每个模块负责实现一个特定的功能，比如进程管理、内存管理、文件系统等。

进程管理是Linux内核的一个关键功能，它负责创建、调度和销毁进程，并为进程之间提供通信和同步机制。

Linux采用了基于时间片的多任务调度算法，使得多个进程可以共享处理器资源，提高系统的并发性能。

而且，Linux内核还支持多线程，使得一个进程可以创建多个线程并在多个处理器上同时执行，充分发挥多核处理器的性能。

内存管理是Linux内核的另一个重要功能，它负责分配和管理系统的物理内存和虚拟内存。

Linux采用了页式存储管理机制，将物理内存划分为固定大小的页面，每个页面可以映射到不同的虚拟地址空间。

这样就可以实现进程之间的内存隔离和共享，同时还提供了一些高级的内存管理功能，比如动态内存分配和内存回收。

文件系统是Linux内核的另一个重要组成部分，它负责管理文件和目录，并提供了对这些文件和目录的访问接口。

Linux支持多种文件系统，包括Ext4、XFS、Btrfs等。

文件系统还提供了一些高级功能，比如权限管理、元数据缓存和文件系统日志等。

除了上述功能之外，Linux还提供了许多其他的功能模块，比如网络协议栈、设备驱动程序、虚拟化和容器等。

这些功能模块使得Linux 成为一个功能丰富、可定制性强的操作系统。

用户空间位于内核空间之上，它提供了用户与操作系统之间的接口。

用户空间包含了一系列的应用程序和库，这些程序和库通过系统调用与内核进行通信。

[A8]POWERLINK linux移植方案及步骤从官网下载openPowerlink源码。

源码中一般都有文档说明，介绍源码以及源码如何使用。

本文讲述powerlink向linux系统移植的方案及其步骤。

1、移植方案协议栈移植存在两种方式：内核模块和用户空间。

内核模块：协议栈作为内核一个模块而被执行，这种方式可提供最佳性能，但是需要匹配具体的网络驱动程序；用户空间：协议栈在用户空间运行，能够提供所有基于powerlink协议栈的功能。

协议栈借助于libpcap库访问网络接口（与具体的网络驱动程序对接），从而使得协议栈与网卡及其驱动独立开。

1.1 内核模块Powerlink移植到内核空间，作为内核模块，其各层程序如下图2.1所示。

图2.1 Powerlink在linux内核空间实现示意图在内核空间实现Powerlink，协议栈作为一个内核模块存在于内核中，需要根据所用的网卡，编写对应的驱动的程序，以供协议栈在内核使用。

在内核空间实现了一套用于调用协议栈的操作，再在用户空间将这些操作进行封装，形成和在用户空间实现相同的用户层接口（API），可方便应用层开发。

即针对向内核空间移植，powerlink源码提供了向上和向下的接口，屏蔽了用户空间和内核空间驱动调用接口。

上层应用程序调用源码向上的接口（EplApiLinuxUser.c）。

向下则匹配网络驱动。

为保证powerlink规范性，应该针对powerlink 提供向下的接口，修改或编写对于网络驱动的接口，使其对应。

另外，应用层应用程序也可在内核空间实现，即将所有实现全部在内核空间实现，这样就不需要内核空间与用户空间的一套接口，应用程序可直接调用协议栈在内核的操作。

但是，应用程序较大时会加大内核负担，而且若出现问题，在内核空间进行调试也比较困难。

1.2 用户空间Powerlink移植到用户空间，可与应用程序绑定，其各层程序如下图2.2所示。

图2.2 Powerlink在linux用户空间实现示意图采用了Libcap网络驱动库，底层网络只需通用驱动，即屏蔽了底层细节。

linux分层设计体系结构Linux是一种开源的操作系统，其设计采用了分层的体系结构。

这种设计使得Linux具有高度的灵活性和可扩展性，同时也方便了系统的维护和管理。

本文将详细介绍Linux的分层设计体系结构。

在Linux的分层设计中，最底层是硬件层。

硬件层包括计算机的各种硬件设备，如处理器、内存、硬盘、网络接口等。

Linux通过设备驱动程序来管理和控制这些硬件设备，使其能够与操作系统进行交互。

在硬件层之上是内核层。

内核是操作系统的核心，负责管理系统的资源和提供各种系统服务。

Linux的内核是一个单独的模块，可以独立于其他软件进行开发和维护。

内核提供了各种系统调用接口，以及对进程、文件系统、网络和设备的管理和控制功能。

在内核层之上是库层。

库是一组共享的代码和函数，可以为应用程序提供常用的功能和服务。

Linux提供了许多不同的库，如C库、数学库、网络库等。

这些库可以被开发人员用来开发应用程序，提高开发效率和代码复用性。

在库层之上是应用层。

应用层包括各种应用程序和工具，如文本编辑器、图形界面、网络浏览器等。

这些应用程序可以通过系统调用接口与内核进行交互，并利用库提供的功能来实现各种任务和操作。

除了以上四个层次外，Linux还有其他一些重要的组件和模块。

例如，系统初始化和启动过程中，会加载引导程序和初始化程序；文件系统是用来组织和管理文件和目录的；网络协议栈是用来实现网络通信的；系统服务是用来提供各种系统功能和服务的。

这些组件和模块与其他层次之间相互关联，共同构成了Linux的完整体系结构。

Linux的分层设计体系结构具有许多优点。

首先，分层设计使得系统的各个组件和模块之间相互独立，可以分别进行开发、测试和维护，提高了开发和维护效率。

其次，分层设计使得系统的各个层次之间的接口清晰明确，方便了系统的扩展和升级。

此外，分层设计还提高了系统的稳定性和可靠性，一旦某个层次出现问题，不会对其他层次造成影响。

Linux的分层设计体系结构是一种高效、灵活和可扩展的设计方式。

背景当今计算机技术已进入以网络为中心的计算时期。

由于客户/服务器模型的简单性、易管理性和易维护性，客户/服务器计算模式在网上被大量采用。

在九十年代中期，万维网（World Wide Web）的出现以其简单操作方式将图文并茂的网上信息带给普通大众，Web也正在从一种内容发送机制成为一种服务平台，大量的服务和应用（如新闻服务、网上银行、电子商务等）都是围绕着Web进行。

这促进Internet用户剧烈增长和Internet流量爆炸式地增长，图1显示了1995至2000年与Internet连接主机数的变化情况，可见增长趋势较以往更迅猛。

Internet的飞速发展给网络带宽和服务器带来巨大的挑战。

从网络技术的发展来看，网络带宽的增长远高于处理器速度和内存访问速度的增长，如100M Ethernet、A TM、Gigabit Ethernet等不断地涌现，10Gigabit Ethernet即将就绪，在主干网上密集波分复用（DWDM）将成为宽带IP的主流技术[2,3]，Lucent已经推出在一根光纤跑800Gigabit的WaveStar?OLS800G 产品[4]。

所以，我们深信越来越多的瓶颈会出现在服务器端。

很多研究显示Gigabit Ethernet 在服务器上很难使得其吞吐率达到1Gb/s的原因是协议栈（TCP/IP）和操作系统的低效，以及处理器的低效，这需要对协议的处理方法、操作系统的调度和IO的处理作更深入的研究。

在高速网络上，重新设计单台服务器上的网络服务程序也是个重要课题。

比较热门的站点会吸引前所未有的访问流量，例如根据Yahoo的新闻发布，Yahoo已经每天发送6.25亿页面。

一些网络服务也收到巨额的流量，如American Online的Web Cache 系统每天处理50.2亿个用户访问Web的请求，每个请求的平均响应长度为5.5Kbytes。

与此同时，很多网络服务因为访问次数爆炸式地增长而不堪重负，不能及时处理用户的请求，导致用户进行长时间的等待，大大降低了服务质量。

linux分层设计体系结构Linux分层设计体系结构是一种将Linux操作系统的各个组件和功能分层组织的方式，以实现模块化设计、可维护性和可扩展性。

以下是Linux分层设计体系结构的主要层级：1. 用户接口层：这是用户与Linux系统交互的界面层，包括Shell、命令行工具和图形用户界面。

用户通过这一层来执行操作系统的命令和访问系统资源。

2. 系统调用接口层：这一层提供给应用程序访问Linux内核所提供的功能的接口。

它包括一系列的系统调用（system call），应用程序可以通过这些系统调用来请求内核执行某些操作，例如文件操作、进程控制等。

3. 库函数层：这一层提供了一系列的函数库，供应用程序调用。

这些函数库封装了一些常用的操作，如字符串操作、文件操作、网络操作等。

应用程序通过调用这些函数库来实现特定的功能。

4. 内核层：这一层是操作系统的核心，负责管理和控制计算机的硬件资源，提供各种功能和服务。

Linux内核包含多个子系统，如进程管理、文件系统、网络协议栈、设备驱动等。

5. 设备驱动层：这一层负责与硬件设备进行交互，通过提供特定的接口和功能来控制和管理设备。

设备驱动层包括字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动等。

6. 硬件层：这一层是真实的物理硬件，包括处理器、内存、外设等。

硬件层由设备驱动来访问和控制。

通过将Linux系统划分为不同的层次，分层设计体系结构提供了一种模块化的方式来开发、维护和扩展Linux系统。

每个层级都有明确定义的职责和接口，不同层级之间的依赖关系也得到了良好的管理。

这种设计使得Linux系统更加灵活、可维护和可扩展。

操作系统中的网络协议栈及其实现在当今的数字化时代，网络已经成为了人们生活和工作中不可或缺的一部分。

作为连接互联网的重要中介，操作系统扮演着一个重要的角色。

操作系统中的网络协议栈是实现网络通信的核心组件，本文将对操作系统中的网络协议栈及其实现进行探讨。

一、网络协议栈的作用和基本原理操作系统中的网络协议栈是一系列网络协议的集合，用于实现数据在网络中的传输和通信。

它通过网络接口设备与物理网络相连，负责数据封装、分组、路由和传输等一系列工作。

网络协议栈按照分层结构组织，通常包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等不同的层次。

1. 物理层物理层是网络协议栈的最底层，负责将数字数据转换为物理信号，并通过物理介质进行传输。

它关注的是物理连接、电气特性和传输速率等问题。

2. 数据链路层数据链路层建立在物理层之上，负责将数据分组组装为数据帧，并通过物理介质传输。

它包括逻辑链路控制、介质访问控制和数据帧的错误检测和纠正等功能。

3. 网络层网络层负责数据在网络中的路由选择和传输控制。

它提供了网络互联和数据包交换的功能，具有IP地址分配、路由表维护等重要功能。

4. 传输层传输层为应用程序提供了端到端的可靠通信服务。

它通过端口号标识应用程序，负责数据的分段、重组和流控制等工作。

5. 应用层应用层是网络协议栈的最高层，提供了各种网络应用程序的接口和服务。

它包括HTTP、FTP、DNS等协议，用于实现电子邮件、文件传输、域名解析等功能。

二、网络协议栈的实现方式操作系统中的网络协议栈可以通过不同的实现方式来实现，下面介绍两种常用的实现方式。

1. 单内核实现方式单内核实现方式是指将网络协议栈的各个层次直接嵌入到操作系统的内核中。

这种实现方式的优点是效率高，因为各个层次之间可以直接进行函数调用。

然而，缺点是网络协议栈与操作系统内核紧密耦合，不够灵活，对于协议的更新和扩展需要修改内核代码。

2. 用户态协议栈实现方式用户态协议栈实现方式是指将网络协议栈的各个层次实现为用户态的进程或线程。

本文描述了linux 2.4.x内核中对QoS支持的设计与实现，并且对缺省的数据包调度机制PFIFO 进行了详细的分析。

在传统的TCP/IP网络的路由器中，所有的IP数据包的传输都是采用FIFO（先进先出），尽最大努力传输的处理机制。

在早期网络数据量和关键业务数据不多的时候，并没有体现出非常大的缺点，路由器简单的把数据报丢弃来处理拥塞。

但是随着计算机网络的发展，数据量的急剧增长，以及多媒体，VOIP数据等对延时要求高的应用的增加。

路由器简单丢弃数据包的处理方法已经不再适合当前的网络。

单纯的增加网络带宽也不能从根本上解决问题。

所以网络的开发者们提出了服务质量的概念。

概括的说：就是针对各种不同需求，提供不同服务质量的网络服务功能。

提供QoS能力将是对未来IP网络的基本要求。

1．Linux内核对QoS的支持Linux内核网络协议栈从2.2.x开始，就实现了对服务质量的支持模块。

具体的代码位于net/sched/目录。

在Linux里面，对这个功能模块的称呼是Traffic Control ,简称TC。

首先我们了解一下Linux网络协议栈在没有TC模块时发送数据包的大致流程。

如图1。

注：上图的分层是按照Linux实现来画，并没有严格遵守OSI分层从上图可以看出，没有TC的情况下，每个数据包的发送都会调用dev_queue_xmit,然后判断是否需要向AF_PACKET协议支持体传递数据包内容，最后直接调用网卡驱动注册的发送函数把数据包发送出去。

发送数据包的机制就是本文开始讲到的FIFO机制。

一旦出现拥塞，协议栈只是尽自己最大的努力去调用网卡发送函数。

所以这种传统的处理方法存在着很大的弊端。

为了支持QoS，Linux的设计者在发送数据包的代码中加入了TC模块。

从而可以对数据包进行分类，管理，检测拥塞和处理拥塞。

为了避免和以前的代码冲突，并且让用户可以选择是否使用TC。

内核开发者在上图中的两个红色圆圈之间添加了TC模块。