TCP 握手数据流

这张图详细描述了 TCP 握手过程中，从客户端发送 SYN 包到服务器最终建立连接的整个数据流转过程，包括网卡、内核、进程中的各个环节。下面对每个步骤进行详细解释：

客户端到服务器的初始连接请求

1. 客户端发送 SYN 包：
   • 客户端发起一个 TCP 连接请求，发送 SYN（同步）包到服务器。
   • 这个 SYN 包是三次握手的第一步。

网卡驱动

1. 进入网卡的 RingBuffer：

   • 服务器的网卡接收到来自客户端的 SYN 包，将其存储在网卡硬件的 RingBuffer 中。
   • RingBuffer 是网卡内置的一个循环缓冲区，用于暂存接收到的数据包。

2. DMA 传输：

   • 网卡使用 DMA（Direct Memory Access）将数据包从 RingBuffer 传输到系统内存中的 DMA 缓冲区。
   • DMA 缓冲区位于系统内存，由网卡驱动程序管理。

内核处理

1. 硬中断触发：

   • 当数据包被 DMA 传输到系统内存后，网卡触发硬中断通知 CPU 数据包已经到达。
   • 硬中断处理程序进行基本处理，如记录中断事件，并触发软中断请求。

2. 软中断处理：

   • 软中断处理程序（如 NAPI 轮询函数）将数据包从 DMA 缓冲区读取，并复制到 sk_buff 结构中。
   • sk_buff 是内核中用于存储和管理网络数据包的数据结构。

3. 协议栈处理：

   • 数据包被存储在 sk_buff 中，并传递给内核的网络协议栈进行处理。
   • 在 netif_receive_skb 函数中，数据包根据其协议类型（如 TCP、UDP、ARP 等）被传递到相应的处理函数。

TCP 三次握手处理

1. 进入半连接队列：

   • 如果数据包是 TCP SYN 包，它将进入服务器的半连接队列（Syn Queue）。
   • 半连接队列用于存储尚未完成三次握手的连接请求。

2. 完成三次握手：

   • 服务器发送 SYN-ACK 包给客户端，并等待客户端发送 ACK 包以完成三次握手。
   • 当服务器接收到客户端的 ACK 包后，连接请求从半连接队列移到全连接队列（Accept Queue）。

进程处理

1. 全连接队列：
   • 全连接队列用于存储已完成三次握手的连接请求，等待应用层调用 accept 系统调用来处理这些连接。
   • 应用程序调用 accept 后，连接从全连接队列移到应用层，正式建立连接，准备进行数据传输。

DMA 缓冲区的满情况和处理方法

DMA 缓冲区满的处理

1. 数据包丢失：

   • 当 DMA 缓冲区满时，新到的数据包无法存储，将被丢弃。这会导致数据包丢失，特别是在高流量情况下。

2. 优化措施：

   • 增大 DMA 缓冲区：如果硬件允许，可以通过配置或升级网卡来增大 DMA 缓冲区的大小。
   • 调整系统参数：优化内核参数，以增加系统缓冲区的容量，提高整体处理能力。
   • 使用多队列：配置网卡的多队列机制，使得多个队列可以并行处理数据包，提高处理效率。
   • 流量控制：在高流量情况下，使用流量控制和限流机制，减少数据包丢失。

示例命令

• 调整 RingBuffer 和队列大小：

  bash

  复制代码

  ethtool -G eth0 rx 4096

• 调整内核参数：

  bash

  复制代码

  sysctl -w net.core.rmem_max=26214400 sysctl -w net.core.wmem_max=26214400

• 调整中断亲和性：

  bash

  复制代码

  echo 1 > /proc/irq/IRQ_NUMBER/smp_affinity

结论

TCP 握手过程中，数据包从网卡接收到系统内存，再到内核处理的整个过程，涉及硬件（如网卡、RingBuffer、DMA）和软件（如 sk_buff、协议栈、连接队列）多个层面的协作。DMA 缓冲区在高流量情况下可能会满，通过合理的硬件配置和系统优化，可以提高网络数据包处理能力，减少数据包丢失，保障网络性能。