Linux与FreeBSD中TCP协议栈实现之比较

作为两个最有名的开源操作系统，Linux和FreeBSD是网管们的首选。Linux以开放性和众多的驱动支持著称，而FreeBSD有着优良的UNIX传统，是公认的最稳定的操作系统。那么，在这两个操作系统间，该如何选择呢？幸好，我们有源码，可以从协议栈的实现中寻找答案。

TCP/IP协议栈是网络中广泛使用的事实网络通信标准。最初的TCP实现源自4.4BSDlite，在Linux兴起后，也不可避免得支持它。但Linux的实现自成体系，仅与传统实现保持接口上的兼容，下面我们将针对源码级的实现，来分析一下两者的异同。但是，对于Linux和FreeBSD这样优秀的系统来说，已经无所谓何优何劣，有的仅仅是实现策略与侧重点上的不同而已。

从进程的角度上讲，可以调用send,sendto,sendmsg来发送一段数据，来可以使用文件系统中的write和writev来发送数据。同理，接收数据可以使用相应的recv,recvmsg,recvfrom，也可以使用文件系统提供的read,readv来接收一段数据。对于接收来说，这是异步进行的，也就是说，这是中断驱动的，在以后的分析中，我们要注意这点。为简单起见，同时不失一般性，我们将分析TCP协议的输入输出全过程，并以已对LINUX及FreeBSD的实现作一对比。

首先我们来看FreeBSD上的协议实现，这也是最正统的实现。下面是完整的输入输出路径。

首先来看左边的输出，不管应用程序调用哪个输出函数，最终都要调用sosend来完成输出。Sosend将从用户空间把数据复制进内核管理的m_buf数据结构，m_buf是FreeBSD的TCP实现使用的数据缓冲结构。在sosend完成数据复制后，将调用TCP的输出函数，tcp_output要做的事情是分配一个新的m_buf来保存tcp头，并计算相应的数据校验码，在下一步的ip_output中，同样也要进行数据校验工作，并进行数据路由选择。最终ether_output将通过if_start来调用具体的硬件驱动程序来完成数据发送。在某个网卡的驱动中，ex_start将负责将数据从内核的m_buf缓冲复制进硬件自己的缓冲区，以完成数据发送工作。在这整个过程中，数据被复制两次，并且也被遍历两次（计算校验码），这也是主要的影响效率的地方。

再来讨论右边的输入，当网卡收到数据时，中断处理程序ex_intr将被调用。驱动通过ex_rx_intr将数据从硬件缓冲复制进m_buf数据结构中，并调用ether_input来进一步处理。ether_input通过ether_demux进行分用。如果是一个Ip包，将通过软中断调用ip_fastforward进行数据校验，并判断是否要转发，如果失败，将进行ip_input进行完整的处理。在in_input中，同样要判断是否要进行转发，如果不用，调用tcp_input进行进一步处理。在tcp_input中，进行数据校验和验证后，有一个叫做首部预测算法的优化，可以加快数据处理速度。进行完所有的操作后，如果是用户数据，将唤醒用户进程进行处理。同理，用户可以使用多个函数进行数据接收，而soreceive将负责将数据从m_buf转移至用户进程缓冲。

可以看出，在FreeBSD中，发送和接收数据，所进行的操作差不多，都要进行两次数据复制和两次数据遍历，这也是最大的影响效率的地方。两次数据复制似乎无可避免，下面我们来看看Linux是怎么做的。

可以看到，在LINUX上的实现稍显复杂。让我们首先从发送开始分析。在LINUX上，socket被实现为一个文件系统，这样可以通过vfs的write来调用，也可以直接使用send来调用，它们最终都是调用sock_sendmsg。Sock_sendmsg通过它的内核版本__sock_sendmsg直接调用tcp_sendmsg来发送数据。在tcp_sendmsg中，同时完成数据复杂和数据校验，这样节省了一次遍历操作，这也是和FreeBSD不同的地方。Linux使用skb结构来管理数据缓冲，这和FreeBSD的m_buf大同小异。当复制完数据后，使用tcp_push来进行下一步发送。Tcp_push通过__tcp_push_pending_frames来调用tcp_write_xmit将数据填入tcp的发送缓冲区。这里的填充仅是指针引用而已。下一步，tcp_transmit_skb将数据放入IP的发送队列。Ip_queue_xmit函数完成IP包头的设置以及数据效验，并调用ip_output进入下一步发送。如果不用分片，将使用ip_finish_output继续发送。在这里，填充数据的以太网包头后调用dev_queue_xmit函数来进一步处理。Dev_queue_xmit函数将数据转移至网络核心层的待发送队列，调用具体的驱动程序cp_start_xmit来完成数据的最终发送。最后的cp_start_xmit做的事情和freebsd的相应函数差不多，检查数据，并复制进硬件缓冲。

当接收到一个数据包的时候，网卡会产生中断，这样网卡驱动的cp_interrupt会被调用。cp_interrupt做的事情很少，只进行必要的检查后就返回了，更多的事情通过cp_rx_poll来完成，cp_rx_poll在软中断中被调用，这样做是为了提高驱动的处理效率。Cp_rx_poll做的事情主要就是把申请并将数据复制进一个skb缓冲中。netif_rx函数将数据从这个队列中转移至网络核心层队列中，netif_receive_skb从这里接收数据，调用ip_rcv来处理。Ip_rc和ip_rcv_finish一起检查数据，得到包的路由，并调用相应的input函数来完成路由，在这里就是ip_local_deliver，ip_local_deliver完成IP包的重组后，使用ip_local_deliver_finish来进入tcp的处理流程，tcp_v4_rcv完成数据校验以及一些简单的检查，主要的工作在tcp_v4_do_rcv中完成。tcp_v4_do_rcv先判断是否正常的用户数据，如果是则用tcp_rcv_established处理，否则用tcp_rcv_state_process来更新连接的状态机。tcp_rcv_established中同样有首部预测。如果一切顺便，将唤醒等待在tcp_recvmsg中的用户进程。后者将数据从skb缓冲中复制进用户进程缓冲。并进行逐级返回。

通过以上分析不难看出，Linux的代码比较混乱，可读性没有FreeBSD的好，比如说，Linux省略了以太网层，而且在接收数据中有多次异步操作，也许这将会影响内核的稳定性，FreeBSD的代码就比较清晰，程序处理一目了然，可读性也高，最稳定的操作系统名不虚传。这也可以从两个操作系统的起源得到解释。Linux起源于互联网时代，由众多爱好者一起完成，并没有一个完整的规划，代码也多次经过变动，而作者水平也参次不齐，造成现在的样子。而FreeBSD系出名门，一直由一个独立的小组进行维护，多年来更新不大，只有少许优化，所以代码的可读性非常高。但从另一方面讲，不断更新的Linux在代码方面比较激进，比如Linux使用skb缓冲效率要较FreeBSD使用的m_buf为高，这里限于篇幅，就不再具体分析了。而且linux发送数据时，在复制数据的同时完成的tcp的效验，这样就节省了一次数据的遍历操作。也提高了效率。