Linux操作系统网络协议栈的设计与实现研究

现在国内外研究Ｌｉｎｕｘ操作系统的机构和个人很多，大型的跨国公司像 Ｉｎｔｅｌ、ＩＢＭ、ＳＵＮ和ＮＯＫＩＡ等，科研院校如芬兰的赫尔辛基大学、美国的加州 大学伯克利分校、我国的中科院软件所和浙江大学等都投入了大量的人力物力， 成立了专门的研发团队。但令人遗憾地是，在国内，大多数人着力于进程管理 系统、存储管理系统、文件系统、进程闯通信、设备驱动以及多处理机这几部 分的研究，惟独缺少人对网络协议栈这部分进行深入研究。所以本课题在科研 和实际工作中都显得非常迫切。
关键词：Ｌｉｎｕｘ２．４．Ｘ，网卡驱动，流量控制，防火墙，拥塞控制
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｆｒｅｅｌｙ ａｖａｉｆａｂｌｅ Ｌｉｎｕｘ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇａｉｎｅｄ ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｒｖｅｒｓ，ｉｔｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｄ．Ｌｉｎｕｘ，ａｓ ａ ｓｈａｒｅｗａｒｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｓｕｐｐｏｒｔｓ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ
针对论文的撰写，鉴于篇幅和重点，我只对网络协议栈方面的研究成果加 以表述。由于网络协议栈也属于内核的一部分，其自然地也会受到其它子系统 的制约，比如文件系统、中断处理等，我在叙述中会对相关部分加以讲解，以 期达到内容的整体性和连贯性。论文从网络协议栈的总体设计开始，按照网络 协议栈的初始化、网卡驱动、流量控制、ｎｅｔｆｉｌｔｅｒ防火墙和ＴＣＰ协议的拥塞 控制的顺序进行深入细致地论述。课题的最终实现目标是掌握整个ＬｉｎＨＸ网络 协议栈的设计和实现技术，并可以根据实际需要对其进行相关的改进和增删。
化。
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一——
第四章：网卡驱动研究。在对一种网卡的硬件结构和功能进行研究和分析 的基础上，通过分析Ｌｉｎｕｘ下ＤＰ８３９０芯片的侦测和初始化、数据帧的收发以及 相应的中断服务程序的设计和实现，推广到其它各种类型的网卡驱动软件设计。
第五章：流量控制。先介绍目前的两种服务模型：集成服务模型和区分服 务模型。然后介绍Ｌｉｎｕｘ内核如何来实现流量控制的，最后讲解Ｌｉｎｕｘ中ＦＩＦＯ 流量控制算法的具体实现。
１．３论文的结构
论文共分七章。主要内容分别阐述如下： 第一章：引言。介绍本课题的背景和来源，作者所做的工作和论文结构。 第二章：网络协议栈的总体设计。先阐述标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的分层设计， 再着重分析Ｌｉｎｕｘ网络协议栈的分层设计，这包括各层的模块设计和实现方法， 同时也和标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的设计进行对比。 第三章：网络协议栈的初始化。先简要地阐述系统初始化的整个过程，再 着重对网络协议栈的初始化过程进行描述，这主要包括套接字层初始化、各种 协议模块的初始化、网络接口设备的初始化以及流量控制和防火墙模块的初始
Ｉｌ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
１．２课题任务简介及本人所作的工作
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由于Ｌｉｎｕｘ是一个宏内核的操作系统，网络协议栈属于内核的一部分，而 且它是建立在进程管理系统、存储管理系统、文件系统、进程间通信和设备驱 动之上的。所以要完成本课题的任务实际上需要对整个Ｌｉｎｕｘ操作系统内核进 行研究。Ｌｉｎｕｘ内核中最核心的代码大约可以占磁盘１０Ｍ的空间，有几十万行， 因而工作量大，任务也比较重。作者在近两年的时间内，不仅仔细阅读了这几 十万行源代码，而且详细地写了几十万行的分析和注释。在此期间，作者查阅 了大量有关计算机操作系统和网络协议栈的中外文资料，和相关的专家和研究 人员进行了多次讨论，并针对疑难问题进行了多次实验和论证。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
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导师签名： 日期：二口Ｄ蚌年工月可日
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第一章引言
１．１课题背景
Ｌｉｎｕｘ操作系统在当今服务器市场上占有相当大的份额，这说明它的网络 协议栈的设计是成功的、也是高质量的。这一方面来自于Ｌｉｎｕｘ是一个开放源 码的操作系统，不仅继承了ＵＮＩＸ系统的大部分优良特性，而且将当今先进的技 术融入其中，比如支持最大数量的流量控制策略、最新的ＴＣＰ拥塞控制算法， 防火墙设计的高度模块化……。另一方面来自于它对众多网络协议的广泛支持， 包括ＴＣＰ／ＩＰ、ＩＰＸ／ＳＰＸ、ＮＥＴＬＩＮＫ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＥＣＯＮＥＴ、ＩＰｖ６、ＳＮＡ、ＩＲＤＡ等。
ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｌａｃｅ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｗｉｌｉ ａｎａｌｙｚｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｅｓ ｏｆ
Ｌｉｎｕｘ ２．４．ｘ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ，ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｔ ｔｏ ｓｔａｎｄａｒｄ ＴＣＰ／ＩＰ
ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ，ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｚｅ ｉｎｉｔｉａｌｉｚｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｎｕｘ ２．４．ｘ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ．Ａｆｔｅｒｗａｒｄ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｍｐｈａｓｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ
ＴＣＰ／ＵＤＰ／ＩＰ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｕｉｔｅ，ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｎｅｗ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｌｉｋｅ ｆｉｒｅｗａｌＩｓ，ＱｏＳ，
ｕｐ ｔｏ ｄａｔｅ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｅｔｃ．ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｋｅｒｎｅｌ．Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｕｓ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌｉｎｕｘ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ ｔｏ ｂｅ ｍａｓｔｅｒ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｏｕｒｓｅｌｖｅｓ．
ＴＣＰ，ｗｈｉｃｈ ｄｉＳＣＵＳＳｅＳ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ Ｌｉｎｕｘ ＴＣＰ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｔｈａｔ ｄｉｆｆｅｒ ｆｒｏｍ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ＴＣＰ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｕｘ２．４．ｘ，ｎｅｔｃａｒｄ ｄｒｉｖｅｒ，ｔｒａｆｆｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｉｒｅｗａｌｌｓ ｃｏｎｇｅｓｔ ｉ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
由于Ｌｉｎｕｘ是一个宏内核的操作系统，网络协议栈属于内核的一部分，而 且它是建立在进程管理系统、存储管理系统、文件系统、进程问通信和设备驱 动之上的。所以要完成本课题的任务实际上需要对整个Ｌｉｎｕｘ操作系统内核进
行研究。 针对论文的撰写，鉴于篇幅和重点，本论文先从总体上对Ｌｉｎｕｘ２．４．ｘ网络
协议栈的分层实现进行深入剖析，并与标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的设计进行对比。 接着对内核中协议栈的初始化过程进行深入分析，这主要包括套接字层初始化、 各种协议模块的初始化、网络接口设备的初始化以及流量控制和防火墙模块的 初始化几个过程。然后按照协议栈的从低到高顺序分为四个专题，对其重要部 分的实现用理论与具体实现相结合的方法加以研究。第一个专题是网卡驱动， 主要讲述ＮＥ２０００网卡的硬件特性与具体的软件驱动程序设计。第二个专题是流 量控制，主要讲述两大理论模型和内核中流量控制模块的具体设计，以及ＦＩＦＯ 的一个实例。第三个专题是内核防火墙的具体设计与实现，主要讲述整个防火 墙框架的建立和包过滤子系统的设计。第四个专题是ＴＣＰ协议的拥塞控制，主 要对Ｌｉｎｕｘ的ＴＣＰ拥塞控制状态机的设计、Ｌｉｎｕｘ拥塞控制的重要特征、Ｌｉｎｕｘ 的ＴＣＰ实现和ＩＥＴＦ规范异同之比较进行深入研究。这四个专题基本上覆盖了 Ｌｉｎｕｘ网络协议栈设计的重要特征，融合了当今最先进的计算机技术，是非常 值得借鉴和学习的。
ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｅｈ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｃａｄｅｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｉｎｕｘ ２．４．ｘ ｔｒａｆｆｉｃ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅｗａｌｌｓ． Ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｆ Ｌｉｎｕｘ ２．４．ｘ
电子科技大学 硕士学位论文 Linux操作系统网络协议栈的设计与实现研究 姓名：陈慧春 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：杨国纬
20040201
中文摘要
Ｌｉｎｕｘ操作系统在当今服务器市场上占有相当大的份额，这说明它的网络 协议栈的设计是成功和高质量的。同时，Ｌｉｎｕｘ作为一个开放源码的操作系统， 它不仅继承了ＵＮＩＸ系统的大部分优良特性，而且将当今最先进的技术融入其 中，比如支持最大数量的流量控制算法、最新的ＴＣＰ拥塞控制算法的实现，防 火墙设计的高度模块化……。所以研究Ｌｉｎｕｘ操作系统的网络协议栈就能较快 地掌握最先进的计算机技术、获得大量有益的经验。继而将这些技术运用到国 产操作系统、嵌入式软件和信息安全产品的开发和设计上来。最终打破国外公 司在这些领域的垄断地位，将中国的民族软件业真正地发展起来，走上独立自 主的道路。
第六章：防火墙设计。主要对防火墙ｎｅｔｆｆｌｔｅｒ框架的设计、包过滤子系 统的具体设计、包过滤子系统对数据包的处理过程和ｉｐｔａｂｌｅｓ命令的实现过程 进行详尽地分析。
第七章：ＴＣＰ拥塞控制策略。主要对Ｌｉｎｕｘ的ＴＣＰ拥塞控制状态机的设计、 Ｌｉｎｕｘ拥塞控制的重要特征、Ｌｉｎｕｘ的ＴＣＰ实现和ＩＥＴＦ规范异同之比较进行深签Biblioteka ： 煎慧查日期：如牛年土月硝日