127.0.0.1 之本机网络通信过程知多少 ?！

2024-01-25 08:26:04

大家好，我是飞哥！

我们拆解完了 Linux 网络包的接收过程，也搞定了网络包的发送过程。内核收发网络包整体流程就算是摸清楚了。

正在飞哥对这两篇文章洋洋得意的时候，收到了一位读者的发来的提问：“飞哥， 127.0.0.1 本机网络 IO 是咋通信的”。额，，这题好像之前确实没讲到。。

现在本机网络 IO 应用非常广。在 php 中一般 Nginx 和 php-fpm 是通过 127.0.0.1 来进行通信的。在微服务中，由于 side car 模式的应用，本机网络请求更是越来越多。所以，我想如果能深度理解这个问题在实践中将非常的有意义，在此感谢@文武的提出。

今天咱们就把 127.0.0.1 的网络 IO 问题搞搞清楚！为了方便讨论，我把这个问题拆分成两问：

127.0.0.1 本机网络 IO 需要经过网卡吗？
和外网网络通信相比，在内核收发流程上有啥差别？

铺垫完毕，拆解正式开始！！

一、跨机网路通信过程

在开始讲述本机通信过程之前，我们还是先回顾一下跨机网络通信。

1.1 跨机数据发送

从 send 系统调用开始，直到网卡把数据发送出去，整体流程如下：

在这幅图中，我们看到用户数据被拷贝到内核态，然后经过协议栈处理后进入到了 RingBuffer 中。随后网卡驱动真正将数据发送了出去。当发送完成的时候，是通过硬中断来通知 CPU，然后清理 RingBuffer。

不过上面这幅图并没有很好地把内核组件和源码展示出来，我们再从代码的视角看一遍。

等网络发送完毕之后。网卡在发送完毕的时候，会给 CPU 发送一个硬中断来通知 CPU。收到这个硬中断后会释放 RingBuffer 中使用的内存。

1.2 跨机数据接收

当数据包到达另外一台机器的时候，Linux 数据包的接收过程开始了。

当网卡收到数据以后，CPU发起一个中断，以通知 CPU 有数据到达。当CPU收到中断请求后，会去调用网络驱动注册的中断处理函数，触发软中断。ksoftirqd 检测到有软中断请求到达，开始轮询收包，收到后交由各级协议栈处理。当协议栈处理完并把数据放到接收队列的之后，唤醒用户进程（假设是阻塞方式）。

我们再同样从内核组件和源码视角看一遍。

1.3 跨机网络通信汇总

二、本机发送过程

在第一节中，我们看到了跨机时整个网络发送过程（嫌第一节流程图不过瘾，想继续看源码了解细节的同学可以参考拆解 Linux 网络包发送过程）。

在本机网络 IO 的过程中，流程会有一些差别。为了突出重点，将不再介绍整体流程，而是只介绍和跨机逻辑不同的地方。有差异的地方总共有两个，分别是路由和驱动程序。

2.1 网络层路由

发送数据会进入协议栈到网络层的时候，网络层入口函数是 ip_queue_xmit。在网络层里会进行路由选择，路由选择完毕后，再设置一些 IP 头、进行一些 netfilter 的过滤后，将包交给邻居子系统。

对于本机网络 IO 来说，特殊之处在于在 local 路由表中就能找到路由项，对应的设备都将使用 loopback 网卡，也就是我们常见的 lo。

我们来详细看看路由网络层里这段路由相关工作过程。从网络层入口函数 ip_queue_xmit 看起。

//file: net/ipv4/ip_output.c
int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
{
 //检查 socket 中是否有缓存的路由表
 rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
 if (rt == NULL) {
  //没有缓存则展开查找
  //则查找路由项， 并缓存到 socket 中
  rt = ip_route_output_ports(...);
  sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
 }

查找路由项的函数是 ip_route_output_ports，它又依次调用到 ip_route_output_flow、__ip_route_output_key、fib_lookup。调用过程省略掉，直接看 fib_lookup 的关键代码。

//file:include/net/ip_fib.h
static inline int fib_lookup(struct net *net, const struct flowi4 *flp,
        struct fib_result *res)
{
 struct fib_table *table;

 table = fib_get_table(net, RT_TABLE_LOCAL);
 if (!fib_table_lookup(table, flp, res, FIB_LOOKUP_NOREF))
  return 0;

 table = fib_get_table(net, RT_TABLE_MAIN);
 if (!fib_table_lookup(table, flp, res, FIB_LOOKUP_NOREF))
  return 0;
 return -ENETUNREACH;
}

在 fib_lookup 将会对 local 和 main 两个路由表展开查询，并且是先查 local 后查询 main。我们在 Linux 上使用命令名可以查看到这两个路由表，这里只看 local 路由表（因为本机网络 IO 查询到这个表就终止了）。

#ip route list table local
local 10.143.x.y dev eth0 proto kernel scope host src 10.143.x.y
local 127.0.0.1 dev lo proto kernel scope host src 127.0.0.1

从上述结果可以看出，对于目的是 127.0.0.1 的路由在 local 路由表中就能够找到了。fib_lookup 工作完成，返回__ip_route_output_key 继续。

//file: net/ipv4/route.c
struct rtable *__ip_route_output_key(struct net *net, struct flowi4 *fl4)
{
 if (fib_lookup(net, fl4, &res)) {
 }
 if (res.type == RTN_LOCAL) {
  dev_out = net->loopback_dev;
  ...
 }

 rth = __mkroute_output(&res, fl4, orig_oif, dev_out, flags);
 return rth;
}

对于是本机的网络请求，设备将全部都使用 net->loopback_dev,也就是 lo 虚拟网卡。

接下来的网络层仍然和跨机网络 IO 一样，最终会经过 ip_finish_output，最终进入到邻居子系统的入口函数 dst_neigh_output 中。

本机网络 IO 需要进行 IP 分片吗？因为和正常的网络层处理过程一样会经过 ip_finish_output 函数。在这个函数中，如果 skb 大于 MTU 的话，仍然会进行分片。只不过 lo 的 MTU 比 Ethernet 要大很多。通过 ifconfig 命令就可以查到，普通网卡一般为 1500，而 lo 虚拟接口能有 65535。

在邻居子系统函数中经过处理，进入到网络设备子系统（入口函数是 dev_queue_xmit）。

2.2 网络设备子系统

网络设备子系统的入口函数是 dev_queue_xmit。简单回忆下之前讲述跨机发送过程的时候，对于真的有队列的物理设备，在该函数中进行了一系列复杂的排队等处理以后，才调用 dev_hard_start_xmit，从这个函数再进入驱动程序来发送。在这个过程中，甚至还有可能会触发软中断来进行发送，流程如图：

但是对于启动状态的回环设备来说（q->enqueue 判断为 false），就简单多了。没有队列的问题，直接进入 dev_hard_start_xmit。接着进入回环设备的“驱动”里的发送回调函数 loopback_xmit，将 skb “发送”出去。

我们来看下详细的过程，从网络设备子系统的入口 dev_queue_xmit 看起。

//file: net/core/dev.c
int dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb)
{
 q = rcu_dereference_bh(txq->qdisc);
 if (q->enqueue) {//回环设备这里为 false
  rc = __dev_xmit_skb(skb, q, dev, txq);
  goto out;
 }

 //开始回环设备处理
 if (dev->flags & IFF_UP) {
  dev_hard_start_xmit(skb, dev, txq, ...);
  ...
 }
}

在 dev_hard_start_xmit 中还是将调用设备驱动的操作函数。

//file: net/core/dev.c
int dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,
   struct netdev_queue *txq)
{
 //获取设备驱动的回调函数集合 ops
 const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;

 //调用驱动的 ndo_start_xmit 来进行发送
 rc = ops->ndo_start_xmit(skb, dev);
 ...
}

2.3 “驱动”程序

对于真实的 igb 网卡来说，它的驱动代码都在 drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c 文件里。顺着这个路子，我找到了 loopback 设备的“驱动”代码位置：drivers/net/loopback.c。在 drivers/net/loopback.c

//file:drivers/net/loopback.c
static const struct net_device_ops loopback_ops = {
 .ndo_init      = loopback_dev_init,
 .ndo_start_xmit= loopback_xmit,
 .ndo_get_stats64 = loopback_get_stats64,
};

所以对 dev_hard_start_xmit 调用实际上执行的是 loopback “驱动” 里的 loopback_xmit。为什么我把“驱动”加个引号呢，因为 loopback 是一个纯软件性质的虚拟接口，并没有真正意义上的驱动，它的工作流程大致如图。

我们再来看详细的代码。

//file:drivers/net/loopback.c
static netdev_tx_t loopback_xmit(struct sk_buff *skb,
     struct net_device *dev)
{
 //剥离掉和原 socket 的联系
 skb_orphan(skb);

 //调用netif_rx
 if (likely(netif_rx(skb) == NET_RX_SUCCESS)) {
 }
}

在 skb_orphan 中先是把 skb 上的 socket 指针去掉了（剥离了出来）。

注意，在本机网络 IO 发送的过程中，传输层下面的 skb 就不需要释放了，直接给接收方传过去就行了。总算是省了一点点开销。不过可惜传输层的 skb 同样节约不了，还是得频繁地申请和释放。

接着调用 netif_rx，在该方法中中最终会执行到 enqueue_to_backlog 中（netif_rx -> netif_rx_internal -> enqueue_to_backlog）。

//file: net/core/dev.c
static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu,
         unsigned int *qtail)
{
 sd = &per_cpu(softnet_data, cpu);

 ...
 __skb_queue_tail(&sd->input_pkt_queue, skb);

 ...
 ____napi_schedule(sd, &sd->backlog);

在 enqueue_to_backlog 把要发送的 skb 插入 softnet_data->input_pkt_queue 队列中并调用 ____napi_schedule 来触发软中断。

//file:net/core/dev.c
static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,
         struct napi_struct *napi)
{
 list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);
 __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
}

只有触发完软中断，发送过程就算是完成了。

三、本机接收过程

在跨机的网络包的接收过程中，需要经过硬中断，然后才能触发软中断。而在本机的网络 IO 过程中，由于并不真的过网卡，所以网卡实际传输，硬中断就都省去了。直接从软中断开始，经过 process_backlog 后送进协议栈，大体过程如图。

接下来我们再看更详细一点的过程。

在软中断被触发以后，会进入到 NET_RX_SOFTIRQ 对应的处理方法 net_rx_action 中（至于细节参见图解Linux网络包接收过程一文中的 3.2 小节）。

//file: net/core/dev.c
static void net_rx_action(struct softirq_action *h){
 while (!list_empty(&sd->poll_list)) {
  work = n->poll(n, weight);
 }
}

我们还记得对于 igb 网卡来说，poll 实际调用的是 igb_poll 函数。那么 loopback 网卡的 poll 函数是谁呢？由于poll_list 里面是 struct softnet_data 对象，我们在 net_dev_init 中找到了蛛丝马迹。

//file:net/core/dev.c
static int __init net_dev_init(void)
{
 for_each_possible_cpu(i) {
  sd->backlog.poll = process_backlog;
 }
}

原来struct softnet_data 默认的 poll 在初始化的时候设置成了 process_backlog 函数，来看看它都干了啥。

static int process_backlog(struct napi_struct *napi, int quota)
{
 while(){
  while ((skb = __skb_dequeue(&sd->process_queue))) {
   __netif_receive_skb(skb);
  }

  //skb_queue_splice_tail_init()函数用于将链表a连接到链表b上，
  //形成一个新的链表b，并将原来a的头变成空链表。
  qlen = skb_queue_len(&sd->input_pkt_queue);
  if (qlen)
   skb_queue_splice_tail_init(&sd->input_pkt_queue,
         &sd->process_queue);
  
 }
}

这次先看对 skb_queue_splice_tail_init 的调用。源码就不看了，直接说它的作用是把 sd->input_pkt_queue 里的 skb 链到 sd->process_queue 链表上去。

然后再看 __skb_dequeue， __skb_dequeue 是从 sd->process_queue 上取下来包来处理。这样和前面发送过程的结尾处就对上了。发送过程是把包放到了 input_pkt_queue 队列里，接收过程是在从这个队列里取出 skb。

最后调用 __netif_receive_skb 将 skb(数据) 送往协议栈。在此之后的调用过程就和跨机网络 IO 又一致了。

送往协议栈的调用链是 __netif_receive_skb => __netif_receive_skb_core => deliver_skb 后将数据包送入到 ip_rcv 中（详情参见图解Linux网络包接收过程一文中的 3.3 小节）。

网络再往后依次是传输层，最后唤醒用户进程，这里就不多展开了。

四、本机网络 IO 总结

我们来总结一下本机网络 IO 的内核执行流程。

回想下跨机网络 IO 的流程是

我们现在可以回顾下开篇的三个问题啦。

1）127.0.0.1 本机网络 IO 需要经过网卡吗？

通过本文的叙述，我们确定地得出结论，不需要经过网卡。即使了把网卡拔了本机网络是否还可以正常使用的。

2）数据包在内核中是个什么走向，和外网发送相比流程上有啥差别？

总的来说，本机网络 IO 和跨机 IO 比较起来，确实是节约了一些开销。发送数据不需要进 RingBuffer 的驱动队列，直接把 skb 传给接收协议栈（经过软中断）。但是在内核其它组件上，可是一点都没少，系统调用、协议栈（传输层、网络层等）、网络设备子系统、邻居子系统整个走了一个遍。连“驱动”程序都走了（虽然对于回环设备来说只是一个纯软件的虚拟出来的东东）。所以即使是本机网络 IO，也别误以为没啥开销。

最后再提一下，业界有公司基于 ebpf 来加速 istio 架构中 sidecar 代理和本地进程之间的通信。通过引入 BPF，才算是绕开了内核协议栈的开销，原理如下。

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