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用户态网络缓冲区

news 来源：原创 2025/8/24 18:34:21

用户态网络缓冲区

缓冲区作用

用于临时存储数据以便高效地进行读写操作。用户态缓冲区位于用户空间中，与内核空间中的缓冲区（内核缓冲区）相对。

用户态接受缓存区

粘包问题，缓存非完整数据包
生产者的速度 > 消费者的速度缓存没来得及处理的数据包

用户态发送缓冲区

可能一次不能把数据全部发送，缓存没有发送出去的数据
生产者的速度 > 消费者的速度

Linux系统收发数据包

接受数据包的过程

1.网卡收到数据包，通过DMA将数据写入内存（ringbuffer结构）

2.网卡向CPU发起硬件中断，CPU收到中断请求，根据中断表查找中断处理函数，调用中断处理函数

3.中断处理函数将屏蔽中断，发起软件中断

避免CPU频繁被网卡中断

使用软中断处理耗时操作，避免执行时间过长，导致CPU没法响应其他硬件中断

4.内核ksoftirqd线程负责软中断处理，该线程从ringbuffer中逐个取出数据帧到sk_buff

5.从帧头取出IP协议，判断是IPv4还是IPv6，去掉帧头，帧尾

6.从IP头看上一层协议是tcp还是udp，根据五元组找到socket，并将数据提取出来放到socket的接受缓冲区

软中断处理结束后开启硬件中断

7.应用程序通过系统调用将socket的接收缓冲区的数据拷贝到应用层缓冲区

发送数据包的过程

1.应用程序通过系统调用将用户数据拷贝sk_buffer并放到socket的发送缓冲区（udp不使用发送缓冲区）

2.网络协议栈从socket的发送缓冲区取出sk_buff，并克隆出一个新的sk_buffer（tcp支持丢失重传）

3.向下传递依次增加TCP/UDP头部，IP头部，帧头（MAC头部），帧尾（tcp分段，ip分片）

TCP 分段是为了根据应用的需要，控制数据流的传输。

IP 分片是为了保证数据包大小符合网络层的传输限制。

4.触发软中断通知网卡驱动程序，有新的网络包需要发送

5.网卡驱动程序从发送队列依次取出sk_buff写ringbuffer（内存DMA区域）

6.触发网卡发送，发送成功，触发硬件中断，释放sk_buff和ringbuffer内存

tcp对应的是克隆而来的

udp对应的是原始的

7.当收到tcp报文的ack应答时，将释放原始的sk_buff。

TCP/UDP设计是否一样

基本一样，有以下的区别

TCP

基于流，可靠传输。
需要粘包处理。
支持TCP分段。
支持IP分片和重组。
内核中有接收缓冲区

UDP

基于报文，不可靠传输
只负责发送，不关心接收。
没有发送缓冲区。
最大报文大小为64K。

Reactor、Proactor 模型

Reactor：通过 IO 多路复用检测缓冲区就绪，使用事件驱动模型通知用户态调用 read。
Proactor：异步投递请求，内核拷贝数据后，通过完成通知回调用户态。

实现思想

定长 buffer

因为每次取出数据后，都需要对齐，需要将数据腾挪到头部。

缺点：

内存浪费
伸缩性差
频繁腾挪数据

ringbuffer

利用头尾指针解决了数据导入时的对齐问题

缺点：

内存浪费
伸缩性差
数据离散

chainbuffer（块状链表）

misalign：从开头以及取走的长度，下次从开头加上misalign就是数据开始点
offset：有效数据长度

不需要腾挪数据
动态扩缩容且无需数据拷贝
造成不连续空间，可能引发多次系统调用

用户态网络缓冲区

用户态网络缓冲区缓冲区作用用于临时存储数据以便高效地进行读写操作。用户态缓冲区位于用户空间中，与内核空间中的缓冲区（内核缓冲区）相对。用户态接受缓存区粘包问题，缓存非完整数据包生产者的速度 > 消费者的速…...

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