1、网络模型

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1、OSI网络模型

开放式系统互联通信参考模型，简称 OSI网络模型

  • 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

    2、TCP/IP 网络模型

  • 应用层：负责向用户提供一组应用程序，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。

    2、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；完后封装上该层的协议头，再发送给下一层。
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  • 传输层：增加了TCP头

  • 网络层：增加了IP头
  • 网络接口层：增加了帧头和帧尾

物理链路中不能传输随意大小的数据包。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。常用的以太网中，MTU 默认值是 1500 。
Linux内核中的网络栈，也类似TCP/IP 的四层结构。
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  • 最上层应用程序：通过系统调用，来跟套接字接口进行交互
  • 套接字下面：传输层、网络层和网络接口层
  • 最底层：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。而在网络手法过程中，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。

3、Linux网络收发流程

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1、网络包接收流程

当一个网络帧达到网卡后，网卡会通过 DMA 的方式，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；然后在通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。
接下来，内核协议栈从缓冲区取出网络帧，并通过网络协议栈，从上到下逐层处理网络帧，如：

  • 在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（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，判断网络包的下一步走向，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（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UDP头之后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 > 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。

2、网络包发送流程

首先，应用程序调用 Socket API （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。

4、性能指标

  • 带宽：表示链路的最大传输速度，单位常为 b/s（比特/秒）
  • 吞吐量：表示单位时间内成功传输的数据量，单位常为 b/s（比特/秒）或者 B/s（字节/秒）。吞吐量受带宽限制，而 吞吐量/带宽，也就是该网络的使用率
  • 延时：表示从网络请求发出后，一直到收到远端相应，所需要的时间延迟。如，建立连接需要的时间（TCP握手延时），一个数据包往返所需的时间（如RTT）
  • PPS：是 Packet Per Second（包 / 秒）的缩写，表示以网络包为单位的传输速率。PPS 通常用来评估网络的转发能力，比如硬件交换机，通常可以达到线性转发（即 PPS 可以达到或者接近理论最大值）。
  • 以及 网络的可用性（网络能否正常通信）、并发连接数（TCP 连接数量）、丢包率（丢包百分比）、重传率（重新传输的网络包比例）等

    5、网络配置

    以网络接口 ens33 为例，
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  1. 网络接口的状态标志：ifconfig 输出的 RUNNING，或 ip 输出的 LOWER_UP，都表示物理网络是连通的，即网线在线
  2. MTU大小：默认是1500
  3. 网络接口的IP地址、子网以及MAC地址
  4. 网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况。特别是 TX 和 RX 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络 I/O 问题。其中：
  • errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等
  • dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 Ring Buffer，但因为内存不足等原因丢包
  • overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包
  • carrier 表示发生 carrirer 错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等

  • collisions 表示碰撞数据包数

    6、套接字信息

    1. # head -n 3 表示只显示前面3行
    2. # -l 表示只显示监听套接字
    3. # -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
    4. # -p 表示显示进程信息
    5. netstat -nlp | head -n 3

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    # -l 表示只显示监听套接字
# -t 表示只显示 TCP 套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
ss -ltnp | head -n 3

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    当套接字处于连接状态（Established）时，

  • Recv-Q：表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（接收队列长度）

  • Send-Q：表示还没有被远端主机确认的字节数（发送队列长度）

当套接字处于监听状态（Listening）时，

  • Recv-Q：表示全连接队列的长度
  • Send-Q：表示全连接队列的最大长度

1、全连接：就是完成TCP三次握手后，服务器就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，会需要被 accept() 系统调走，服务器才能真正处理客户端的请求。
2、半连接：还没有完成TCP三次握手的连接。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN + ACK包。

7、协议栈统计信息

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8、网络吞吐和PPS

sar -n 查看网络的统计信息，如 网络接口（DEV）、网络接口错误（EDEV）、TCP、UDP、ICMP 等等
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  • rxpck/s 和 txpck/s 分别是接收和发送的 PPS，单位为包 / 秒。
  • rxkB/s 和 txkB/s 分别是接收和发送的吞吐量，单位是 KB/ 秒。
  • rxcmp/s 和 txcmp/s 分别是接收和发送的压缩数据包数，单位是包 / 秒。
  • %ifutil 是网络接口的使用率，即半双工模式下为 (rxkB/s+txkB/s)/Bandwidth，而全双工模式下为 max(rxkB/s, txkB/s)/Bandwidth。

Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s
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9、连通性和延时

ping -c3 表示发送三次ICMP包后停止
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每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。