Linux內(nèi)核源碼剖析（上下冊(cè)）

前言

有人宣稱Linux人才是未來(lái)20年IT職場(chǎng)中的王者。無(wú)論這種說(shuō)法有多夸張，有一個(gè)事實(shí)是不可否認(rèn)的，那就是，近年來(lái)Linux的市場(chǎng)份額不斷增長(zhǎng)，Linux正在受到越來(lái)越多的關(guān)注乃至推崇。由于Linux可廣泛地應(yīng)用到各種系統(tǒng)，包括很多嵌入式系統(tǒng)上，以及其他的諸多優(yōu)點(diǎn)，如開(kāi)放、高效、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能等，這種趨勢(shì)在可預(yù)計(jì)的未來(lái)還將持續(xù)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)Linux各方面的研究工作沒(méi)有國(guó)外那樣廣泛和深入，相關(guān)的出版物水準(zhǔn)參差不齊。特別是在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方面，有些著作針對(duì)性不強(qiáng)，有些則缺少了重要的傳輸層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的論述，還有一些雖然有比較全面的介紹，卻不夠深入，選用的Linux版本也比較舊。針對(duì)以上情況，本書(shū)選擇了較新的2.6.2 0版本內(nèi)核RCP／IP實(shí)現(xiàn)作詳細(xì)的論述，在重要的細(xì)節(jié)處甚至逐行分析，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)代碼背后的機(jī)制和原理作了深入的闡述，將各關(guān)鍵點(diǎn)連成一個(gè)整體，幫助讀者理清整個(gè)Linux網(wǎng)絡(luò)部分的脈絡(luò)。作者本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，在寫(xiě)作過(guò)程中參閱了大量的中英文資料及相關(guān)的文檔。相信本書(shū)可以成為那些希望深入了解Linux的TCP／IP協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)部分實(shí)現(xiàn)的人們的有力工具。本書(shū)共有33章，通過(guò)自底向上的方法來(lái)論述TCP／IP的實(shí)現(xiàn)，從數(shù)據(jù)鏈路層開(kāi)始，然后是網(wǎng)絡(luò)層（IP、ICMP、IGMP、路由以及鄰居子系統(tǒng)和IP組播），接下來(lái)是套接口，最后是傳輸層（TCP和UDP）。在學(xué)習(xí)的時(shí)候也可以采用自頂向下的方法（從傳輸層開(kāi)始向下），或者結(jié)合以上兩種方法。要理解一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，對(duì)于一個(gè)專業(yè)人員來(lái)說(shuō)，代碼是最為直接也最為可靠的資源。Linux普及面不斷擴(kuò)展，越來(lái)越多的人會(huì)想通過(guò)研讀內(nèi)核代碼來(lái)了解Linux系統(tǒng)，一來(lái)是更好地解決具體工作中的相關(guān)問(wèn)題，二來(lái)是從Linux這個(gè)高質(zhì)量的操作系統(tǒng)中學(xué)習(xí)到更多的編程、架構(gòu)等技術(shù)。本書(shū)的特點(diǎn)如下：選擇的內(nèi)核版本新，內(nèi)容不會(huì)在短期內(nèi)過(guò)時(shí)。對(duì)代碼作了詳細(xì)的論述，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了代碼背后的機(jī)制和原理，為讀者理清了整個(gè)框架的脈絡(luò)，幫助讀者避免迷失在細(xì)節(jié)中。寫(xiě)作過(guò)程中參閱了大量中英文資料和相關(guān)的文檔，對(duì)內(nèi)核代碼更是作了長(zhǎng)時(shí)間深入細(xì)致的研究和分析，在細(xì)節(jié)處反復(fù)推敲，以確保本書(shū)的質(zhì)量。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)詳細(xì)論述了Linux內(nèi)核2.6.20版本中TCP/IP的實(shí)現(xiàn)。書(shū)中給出了大量的源代碼，通過(guò)對(duì)源代碼的詳細(xì)注釋，幫助讀者掌握TCP/IP的實(shí)現(xiàn)。本書(shū)根據(jù)協(xié)議棧層次，從驅(qū)動(dòng)層逐步論述到傳輸層，包括驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)、接口層的輸入輸出、IP層的輸入輸出以及IP選項(xiàng)的處理、鄰居子系統(tǒng)、路由、套接口及傳輸層等內(nèi)容，全書(shū)基本涵蓋了網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)全部的知識(shí)點(diǎn)。特別是TCP，包括TCP連接的建立和終止、輸入與輸出，以及擁塞控制的實(shí)現(xiàn)?！　”緯?shū)適用于熟悉Linux的基本使用方法，對(duì)Linux內(nèi)核工作原理以及網(wǎng)絡(luò)知識(shí)有一定的了解，而又極想更深入理解各個(gè)機(jī)制在Linux中的具體實(shí)現(xiàn)的用戶，包括應(yīng)用程序員和嵌入式程序員，以及網(wǎng)絡(luò)管理員等。相關(guān)專業(yè)的科研人員在工作中遇到問(wèn)題時(shí)，也可以查閱本書(shū)，理解相關(guān)內(nèi)核部分的實(shí)現(xiàn)。此外，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本科高年級(jí)學(xué)生和研究生，在學(xué)習(xí)相關(guān)課程（如操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等）時(shí)，可將本書(shū)作為輔助教程，與理論相結(jié)合以便更好地理解相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

書(shū)籍目錄

上冊(cè)　前言　第1章  預(yù)備知識(shí)	　　1.1  應(yīng)用層配置診斷工具	　　　1.1.1  iputils	　　　1.1.2  net-tools	　　　1.1.3  iproute2	　　1.2  內(nèi)核空間與用戶空間的接口	　　　1.2.1  procfs	　　　1.2.2  sysctl(/proc/sys目錄)	　　　1.2.3  sysfs(/sys文件系統(tǒng))	　　　1.2.4  ioctl系統(tǒng)調(diào)用	　　　1.2.5  netlink套接口	　　1.3  網(wǎng)絡(luò)I/O加速	　　　1.3.1  TSO/GSO	　　　1.3.2  I/O AT	　　1.4  其他	　　　1.4.1  slab分配器	　　　1.4.2  RCU	　第2章  網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述	　　2.1  引言	　　2.2  協(xié)議簡(jiǎn)介	　　2.3  網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)	　　2.4  系統(tǒng)調(diào)用接口	　　2.5  協(xié)議無(wú)關(guān)接口	　　2.6  傳輸層協(xié)議	　　2.7  套接口緩存	　　2.8  設(shè)備無(wú)關(guān)接口	　　2.9  設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序	　　2.10  網(wǎng)絡(luò)模塊源代碼組織	　第3章  套接口緩存	　　3.1  引言	　　3.2  sk_buff結(jié)構(gòu)	　　　3.2.1  網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)	　　　3.2.2  SKB組織相關(guān)的變量	　　　3.2.3  數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)的變量	　　　3.2.4  通用的成員變量	　　　3.2.5  標(biāo)志性變量	　　　3.2.6  特性相關(guān)的成員變量	　　3.3  skb_shared_info結(jié)構(gòu)	　　　3.3.1 "零拷貝"技術(shù)	　　　3.3.2  對(duì)聚合分散I/O數(shù)據(jù)的支持	　　　3.3.3  對(duì)GSO的支持	　　　3.3.4  訪問(wèn)skb_shared_info結(jié)構(gòu)	　　3.4  管理函數(shù)	　　　3.4.1  SKB的緩存池	　　　3.4.2  分配SKB	　　　3.4.3  釋放SKB	　　　3.4.4  數(shù)據(jù)預(yù)留和對(duì)齊	　　　3.4.5  克隆和復(fù)制SKB	　　　3.4.6  鏈表管理函數(shù)	　　　3.4.7  添加或刪除尾部數(shù)據(jù)	　　　3.4.8  拆分?jǐn)?shù)據(jù)：skb_split()	　　　3.4.9  重新分配SKB的線性數(shù)據(jù)區(qū)：pskb_expand_head()	　　　3.4.10  其他函數(shù)	　第4章  網(wǎng)絡(luò)模塊初始化	　　4.1  引言	　　4.2  網(wǎng)絡(luò)模塊初始化順序	　　4.3  優(yōu)化基于宏的標(biāo)記	　　4.4  網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理層初始化	　第5章  網(wǎng)絡(luò)設(shè)備	　　5.1  PCI設(shè)備	　　　5.1.1  PCI驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)結(jié)構(gòu)	　　　5.1.2  注冊(cè)PCI驅(qū)動(dòng)程序	　　5.2  與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)	　　……下冊(cè)

章節(jié)摘錄

插圖：盡管技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，但是TCP／IP協(xié)議棧的處理方式卻幾乎沒(méi)有變化。也就是說(shuō)，即便用戶使用最先進(jìn)的CPU，依然要處理那些未經(jīng)優(yōu)化的TCP／IP協(xié)議，由此產(chǎn)生巨大的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。例如，TCP／IP的傳輸過(guò)程中需要封裝、解包，這些動(dòng)作對(duì)于處理器而言并不是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但是會(huì)占用處理器周期，而且網(wǎng)絡(luò)帶寬越高，這個(gè)問(wèn)題越嚴(yán)重。系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的增大不僅僅表現(xiàn)在占用較多的處理器周期，還會(huì)導(dǎo)致處理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)的內(nèi)存訪問(wèn)效率降低。這又會(huì)進(jìn)一步降低CPU效能和網(wǎng)絡(luò)效率。過(guò)去，網(wǎng)絡(luò)流量較低，處理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用于執(zhí)行正常任務(wù)的開(kāi)銷(xiāo)，所以并未引起重視?，F(xiàn)在，隨著網(wǎng)絡(luò)流量大幅度提升，處理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)越來(lái)越不能忽視，甚至已經(jīng)影響到了正常應(yīng)用?，F(xiàn)有幾種解決方案：  （1）TSO（TCP Segmentation Offioad）  通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的專用處理器處理部分或者全部的封包，借此來(lái)降低對(duì)于系統(tǒng)處理器資源的占用，不過(guò)這種解決方案只對(duì)具有某些特征的數(shù)據(jù)包有效。（2）RDMA（。Remote Direct MemoryAccess，遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(wèn)）發(fā)送端系統(tǒng)直接將有效數(shù)據(jù)送至目的系統(tǒng)指定的內(nèi)存中，無(wú)需移動(dòng)數(shù)據(jù)包的時(shí)間消耗，因此大大提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?。但是這種技術(shù)需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，應(yīng)用程序也需要進(jìn)行修改，甚至還增加了一個(gè)RDMA層的封裝過(guò)程，而且這種操作風(fēng)險(xiǎn)較高，因此目前看來(lái)還不是一個(gè)吸引人的解決方案。  （3）Onloading技術(shù)  將系統(tǒng)處理器作為處理網(wǎng)絡(luò)流量的第一引擎，盡可能地提升CP[J處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的效率，這種思想已經(jīng)被英特爾借鑒。

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