Linux 网络栈管理

概述

参考：

和磁盘设备类似，Linux 用户想要使用网络功能，不能通过直接操作硬件完成，而需要直接或间接的操作一个 Linux 为我们抽象出来的设备，i.e. 通用的 Linux 网络设备来完成。一个常见的情况是，计算机里装有一个硬件网卡，Linux 会在系统里为其生成一个网络设备实例，e.g. eth0，用户需要对 eth0 发出命令以配置或使用它了。更多的硬件会带来更多的网络设备实例（另外，虚拟化的硬件也会带来更多的网络设备实例）。

网卡本身并不会连接连接任何网络，网卡需要相应的配置文件来告诉他们如何实现网络连接。而让网卡与配置文件关联的过程，就是 network.service 这类服务来实现的

在 Linux Kernel 中，一般使用“网络设备”这种称呼，来描述硬件物理网卡设备在系统中的实例。在不同的语境中，有时也简称为 “设备”、“DEV” 等等。网络设备可以是一块真实机器上的网卡，也可以是创建的虚拟的网卡。

而网络设备与网卡之间如何建立关系，就是网卡驱动程序的工作了，不同的网卡，驱动不一样，可以实现的功能也各有千秋。所以，想要系统出现 eth0 这种网络设备，网卡驱动程序是必须存在的，否则，没有驱动，也就无法识别硬件，无法识别硬件，在系统中也就不知道如何操作这个硬件。

Linux 网络功能的实现

数据包的 Transmit(发送) 与 Receive(接收) 过程概览

Transmit(发送) 过程

https://mp.weixin.qq.com/s/wThfD9th9e_-YGHJJ3HXNQ

本文将拿 Intel I350 网卡的 igb 驱动作为参考，网卡的 data sheet 这里可以下载 PDF （警告：文件很大）。

从比较高的层次看，一个数据包从用户程序到达硬件网卡的整个过程如下：

  1. 使用 系统调用（如 sendto，sendmsg 等）写数据
  2. 数据穿过 socket 子系统，进入socket 协议族（protocol family）系统（在我们的例子中为 AF_INET）
  3. 协议族处理：数据穿过 协议层，这一过程（在许多情况下）会将 数据（data）转换成 数据包（packet）
  4. 数据穿过 路由层，这会涉及路由缓存和 ARP 缓存的更新；如果目的 MAC 不在 ARP 缓存表中，将触发一次 ARP 广播来查找 MAC 地址
  5. 穿过协议层，packet 到达 设备无关层（device agnostic layer）
  6. 使用 XPS（如果启用）或散列函数 选择发送队列
  7. 调用网卡驱动的 发送函数
  8. 数据传送到网卡的 qdisc（queue discipline，排队规则）
  9. qdisc 会直接 发送数据（如果可以），或者将其放到队列，下次触发 **NET_TX** 类型软中断（softirq）的时候再发送
  10. 数据从 qdisc 传送给驱动程序
  11. 驱动程序创建所需的 DMA 映射，以便网卡从 RAM 读取数据
  12. 驱动向网卡发送信号，通知 数据可以发送了
  13. 网卡从 RAM 中获取数据并发送
  14. 发送完成后，设备触发一个 硬中断（IRQ），表示发送完成
  15. 硬中断处理函数 被唤醒执行。对许多设备来说，这会 触发 NET_RX 类型的软中断，然后 NAPI poll 循环开始收包
  16. poll 函数会调用驱动程序的相应函数，解除 DMA 映射，释放数据

Receive(接收) 过程

https://arthurchiao.art/assets/img/linux-net-stack/dma-ringbuffer.png|800

从比较高的层次看，一个数据包从被网卡接收到进入 socket 的整个过程如下：

  1. 内核：初始化网卡驱动；其中包括了注册 poll() 方法；
  2. 网卡：收到包；
  3. 网卡：通过 DMA 将包复制到内核内存中的 ==ring buffer==；
  4. 网卡：如果此时 NAPI 没有在执行，就产生硬件中断（IRQ），通知系统收到了一个包（否则不用额外 IRQ 就会把包收走）；触发软中断；
  5. 内核：调度到软中断处理线程 ksoftirqd；
  6. 内核：软中断处理，调用 NAPI 的 poll() 从 ring buffer 收包，并以 skb 的形式送至更上层处理；
  7. 协议栈：L2 处理；
  8. 协议栈：L3 处理；
  9. 协议栈：L4 处理。

Linux 网络栈关联文件与配置

不同的 Linux 发行版，所使用的上层网络配置程序各不相同，各种程序所读取的配置文件也各不相同。

  • 对于 RedHat 相关的发行版，网络配置在 /etc/sysconfig/network-scripts/ 目录中
  • 对于 Debian 相关的发行版，网络配置在 /etc/network/ 目录中

在这些目录中，其实都是通过脚本来实现的

后来随着时代的发展，涌现出很多通用的网络管理程序，比如 systemd-networkd、NetworkManager、Netplan、etc.，这样就可以让各个发行版使用相同的程序来管理网络了，减少切换发行版而需要学习对应配置的成本，并且也更利于发展。

/proc/net/

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.18/Documentation/filesystems/proc.rst#13-networking-info-in-procnet

该目录是 软连接文件，被连接到 self/net 目录。主要记录的是，链接到的进程的 network namespace 的信息

我们可以利用这些信息来查看系统中哪些网络设备可用，以及有多少流量通过这些设备路由，比如：

> cat /proc/net/dev
Inter-|Receive                                                    |Transmit
 face |bytes     packets errs drop fifo frame compressed multicast|bytes      packets errs drop fifo colls carrier compressed
    lo:908188    5596    0    0    0    0     0          0         908188     5596    0    0    0    0     0       0
  ppp0:15475140  20721   410  0    0    410   0          0         1375103    17405   0    0    0    0     0       0
  eth0:614530    7085    0    0    0    0     0          1         1703981    5535    0    0    0    3     0       0

此外，每个 Bond 接口都有自己的目录。e.g. bond0 设备会有一个名为 /proc/net/bond0/ 的目录。该目录包含特定于该绑定的信息，例如绑定的当前从设备、从设备的链路状态以及从设备的链路故障次数。

./dev # 网络设备的统计信息。包括 Interface(接口名称), Receive(接收的数据), Transmit(发送的数据) 三部分

./nf_conntrack # 链接跟踪表，该文件用于记录已跟踪的连接

./tcp # 所有的 TCP 连接信息。

./tcp6 # 所有的基于 IPv6 的 TCP 连接信息。

参考：GitHub Linux 项目文档

保存 TCP 套接字表的转储。除了调试之外，大部分信息都没有什么用。

  • sl # 值是套接字的内核哈希槽位
  • local_address # 是本地地址和端口号对
  • rem_address # 是远程地址和端口号对(如果连接)
  • St # 是套接字的内部状态。根据内核内存使用情况，
  • tx_queue 和 rx_queue # 是传出和传入的数据队列。
  • tr、tm->when 和 rexmits # 字段保存内核套接字状态的内部信息，仅在调试时有用。
  • uid # 字段保存套接字创建者的有效 uid。
  • inode # 该 socket 的 inode 号，后面一串 16 进制的字符是该 socket 在内存中的地址。
root@desistdaydream:~# cat /proc/net/tcp
  sl  local_address rem_address   st tx_queue rx_queue tr tm->when retrnsmt   uid  timeout inode
   0: 0100007F:177A 00000000:0000 0A 00000000:00000000 00:00000000 00000000     0        0 12975942 1 ffff923dd621a300 100 0 0 10 0
   1: 3500007F:0035 00000000:0000 0A 00000000:00000000 00:00000000 00000000   101        0 28017 1 ffff923ef9dd08c0 100 0 0 10 0
   2: 00000000:0016 00000000:0000 0A 00000000:00000000 00:00000000 00000000     0        0 33221 1 ffff923eecf6c600 100 0 0 10 0
   3: F82A13AC:0016 CB2A13AC:FD4C 01 00000000:00000000 02:00025EB2 00000000     0        0 12973284 4 ffff923dd621e900 20 4 29 10 20
   4: F82A13AC:0016 CB2A13AC:FD48 01 00000000:00000000 02:000A6D4A 00000000     0        0 12944563 2 ffff923dd621bd40 20 4 31 10 23

注意：

这里用 16 进制表示的 IP 有点奇葩比如 F82A13AC 转换成 IP 地址是 248.42.19.172，真实 IP 地址是 172.19.42.248，也就是说反过来了。。。。F82A13AC 应该是 AC132AF8

./udp # 所有 UDP 连接信息

./udp6 # 所有基于 IPv6 的 UDP 连接信息

./unix # 所有 Unix Domain Socket 连接信息

/sys/class/net/

详见 Linux 网络设备


最后修改 February 4, 2026: systemd-networkd and systemd-resolved (6c369de9)