吞吐量是什么意思，吞吐量和传输速率的区别

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同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算 机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程 间通信，必须要通过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普 及，网络的性能也变得越来越重要。

那么，Linux 网络又是怎么工作的呢？又有哪些指标衡量网络的性能呢？接下来，我们一起学习 Linux 网络的工作原理和性能指标。

网络模型

说到网络，我们肯定经常提起七层负载均衡、四层负载均衡，或者三层设备、二层设备等等。那么，这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢？

实际上，这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model)，简称为 OSI 网络模型。

为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层，每个层负责不同的功能。其中：

  • 应用层，负责为应用程序提供统一的接口。
  • 表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式。
  • 会话层，负责维护计算机之间的通信连接。
  • 传输层，负责为数据加上传输表头，形成数据包。
  • 网络层，负责数据的路由和转发。
  • 数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。
  • 物理层，负责在物理网络中传输数据帧。

但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中：

  • 应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。
  • 传输层，负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。
  • 网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。
  • 网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。

为了帮你更形象理解 TCP/IP 与 OSI 模型的关系，画了一张图，如下所示:

关于Linux网络，必须知道这些

当然了，虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层(而它们对应到 TCP/IP 模型中，实际上是四层和三层)。

Linux 网络栈

有了 TCP/IP 模型后，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。

关于Linux网络，必须知道这些

其中：

  • 传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头；
  • 网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头;
  • 而网络接口层，又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。

这些新增的头部和尾部，都按照特定的协议格式填充，想了解具体格式，你可以查看协议 的文档。 比如，你可以查看这里，了解 TCP 头的格式。

这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小，但我们都知道，物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元(MTU)，就规定了最大的 IP 包大小。 在我们最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500(这也是 Linux 的默认值)。

一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。

理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，我们很容易能想到，Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：

关于Linux网络，必须知道这些

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。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。

再结合 Linux 网络栈，可以看出，网络包的处理非常复杂。所以，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。

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Linux 网络收发流程

了解了 Linux 网络栈后，我们再来看看， Linux 到底是怎么收发网络包的。

网络包的接收流程

我们先来看网络包的接收流程。

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。比如：

  • 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CP 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

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