운영 체제에 대한 이해를 뒤집으십시오 - Linux 배포판 개요

고급 프로그래머든 초보자든, Windows 사용자든 macOS 사용자든, 컴퓨터 운영 체제에 대해 어느 정도 이해하고 있다면 Linux라는 이름이 분명 익숙할 것입니다. 그러나 Linux 운영 체제의 표면만 긁을 수도 있습니다. 실제로 각각 고유한 기능과 응용 프로그램 시나리오를 갖춘 Linux 배포판이 많이 있습니다. 아래에서는 몇 가지 일반적인 Linux 배포판을 소개하고 운영 체제에 대한 전통적인 이해를 뒤집는 데 도움을 줄 것입니다.

여러 장치가 네트워크를 통해 서로 통신할 수 있도록 하고, 네트워크 상호 연결 시 다양한 장치의 호환성 문제를 해결하기 위해 국제 표준화 기구에서는 개방형 시스템 상호 연결 참조 모델을 공식화했으며, 이는 OSI 네트워크 모델이기도 합니다. 이 모델은 주로 애플리케이션 계층, 프리젠테이션 계층, 세션 계층, 전송 계층, 네트워크 계층, 데이터 링크 계층 및 물리 계층의 7개 계층으로 구성됩니다.

각 레이어는 다음과 같이 다양한 기능을 담당합니다.

•애플리케이션에 통합 인터페이스를 제공하는 애플리케이션 계층

•프레젠테이션 레이어, 데이터를 다른 시스템과 호환되는 형식으로 변환하는 일을 담당합니다.

•프레젠테이션 계층 엔터티 간의 통신 세션 설정, 관리 및 종료를 담당하는 세션 계층

•종단 간 데이터 전송을 담당하는 전송 계층

•데이터 라우팅, 전달 및 조각화를 담당하는 네트워크 계층;

• 데이터 프레임, 오류 감지 및 MAC 주소 지정을 담당하는 데이터 링크 계층;

•물리적 네트워크에서 데이터 프레임 전송을 담당하는 물리적 계층

OSI 모델은 너무 복잡하기 때문에 제안된 내용은 개념적, 이론적 계층화일 뿐이며 구체적인 구현 계획은 제공되지 않습니다. 실제로 더 일반적이고 실용적인 4계층 모델은 TCP/IP 네트워크 모델입니다. Linux 시스템은 이 네트워크 모델에 따라 네트워크 프로토콜 스택을 구현합니다.

TCP/IP 네트워크 모델에는 애플리케이션 계층, 전송 계층, 네트워크 계층 및 네트워크 인터페이스 계층이라는 4개의 계층이 있습니다.

•HTTP, DNS, FTP 등과 같은 일련의 애플리케이션을 사용자에게 제공하는 역할을 담당하는 애플리케이션 계층;

•TCP, UDP 등 종단 간 통신을 담당하는 전송 계층;

•IP, ICMP 등과 같은 네트워크 패킷의 캡슐화, 단편화, 라우팅 및 전달을 담당하는 네트워크 계층;

•네트워크 패킷 프레이밍, MAC 주소 지정, 오류 감지, 네트워크 카드를 통한 네트워크 프레임 전송 등 물리적 네트워크에서 네트워크 패킷 전송을 담당하는 네트워크 인터페이스 계층

OSI 네트워크 모델과 비교할 때 TCP/IP 네트워크 모델은 훨씬 간단하고 기억하기 쉽습니다.

그러나 우리가 자주 이야기하는 7계층 및 4계층 로드 밸런싱은 OSI 네트워크 모델로 설명됩니다. 계층 7은 애플리케이션 계층에 해당하고 계층 4는 전송 계층에 해당합니다.

Linux 네트워크 프로토콜 스택

우리 몸은 애플리케이션 레이어의 데이터에, 옷의 맨 아래 레이어는 전송 레이어의 TCP 헤더에, 코트는 네트워크 레이어의 IP 헤더에, 모자와 신발은 프레임 헤더와 프레임에 비교할 수 있습니다. 네트워크 인터페이스 계층의 각각.

겨울철 집에서 놀고 싶을 때는 당연히 기본 옷을 먼저 입고, 따뜻한 재킷을 입고, 마지막으로 모자와 신발을 신고 나가는 과정이 바로 이 과정입니다. 우리가 TCP 프로토콜을 사용하여 통신하는 방법과 같이 네트워크 패킷이 전송되면 애플리케이션 계층 데이터는 네트워크 프로토콜 스택에 따라 계층별로 캡슐화되고 처리됩니다.

아래 그림에서 각 레이어별 애플리케이션 레이어 데이터의 캡슐화 형식을 확인할 수 있습니다.

그중에는:
•전송 계층은 애플리케이션 데이터 앞에 TCP 헤더를 추가합니다.

•네트워크 계층은 TCP 패킷 앞에 IP 헤더를 추가합니다.

•네트워크 인터페이스 계층은 IP 데이터 패킷 전후에 프레임 헤더와 프레임 트레일러를 추가합니다.

이러한 추가, 헤더 및 꼬리는 모두 고유한 기능을 가지며 특정 프로토콜 형식에 따라 채워집니다. 각 계층은 고유한 프로토콜 헤더를 추가하여 자연스럽게 네트워크 패킷의 크기를 늘리지만 물리적 링크는 다음과 같은 데이터 패킷을 전송할 수 없습니다. 따라서 이더넷에서 최대 전송 단위(MTU)는 1500바이트이며, 이는 단일 전송에 대한 최대 IP 패킷 크기도 지정합니다.

네트워크 패킷이 MTU 크기를 초과하면 조각난 IP 패킷이 MTU 크기를 초과하지 않도록 네트워크 계층에서 조각화됩니다. MTU가 더 작으면 더 많은 패킷이 필요하며 네트워크 처리량 용량이 늘어납니다. 반대로 MTU가 클수록 필요한 패킷이 작을수록 네트워크 처리량이 좋아집니다.

TCP/IP 네트워크 모델과 네트워크 패킷의 캡슐화 원리를 알고 나면 Linux 네트워크 프로토콜 스택이 실제로 TCP/IP의 4계층 구조와 유사하다는 것을 짐작했을 것입니다.

위 그림의 네트워크 프로토콜 스택에서 다음을 확인할 수 있습니다.

•애플리케이션은 시스템 호출을 통해 소켓 레이어와 상호 작용해야 합니다.

•소켓 계층 아래에는 전송 계층, 네트워크 계층 및 네트워크 인터페이스 계층이 있습니다.

•하위 레이어는 네트워크 카드 드라이버와 하드웨어 네트워크 카드 장치입니다.

네트워크 패킷을 수신하는 Linux 프로세스

네트워크 카드는 네트워크 패킷 수신 및 전송을 담당하는 컴퓨터의 하드웨어입니다. 네트워크 카드가 네트워크 패킷을 수신하면 DMA 기술을 통해 네트워크 패킷을 링 버퍼에 넣습니다. . 커널 메모리의 네트워크 카드 드라이버에 있는 버퍼입니다.

네트워크 패킷을 받은 후 운영 체제에 네트워크 패킷이 도착했음을 어떻게 알려야 할까요?

가장 간단한 방법은 인터럽트를 트리거하는 것입니다. 즉, 네트워크 카드가 네트워크 패킷을 수신할 때마다 인터럽트를 트리거하여 운영 체제에 알립니다.

그러나 고성능 네트워크 시나리오에서는 네트워크 패킷 수가 매우 많아지고 많은 수의 인터럽트가 트리거된다는 점을 알아야 합니다. 현재 수행 중인 작업 및 진행 이러한 네트워크 패킷을 처리하면 처리가 완료된 후에만 다른 작업으로 돌아갑니다. 인터럽트를 너무 자주 트리거하면 CPU에서 끝없는 처리 인터럽트가 발생하여 다른 작업이 앞으로 나아갈 수 없게 될 수 있습니다. 시스템의 전반적인 효율성에 영향을 미칩니다.

그래서 잦은 인터럽트로 인한 성능 오버헤드를 해결하기 위해 Linux 커널은 버전 2.6에서 NAPI 메커니즘을 도입했습니다. 이는 네트워크 패킷을 수신하는 혼합된 "인터럽트 및 폴링" 방법입니다. 그 핵심 개념은 인터럽트 없이 읽는 것입니다. 데이터를 얻으려면 먼저 인터럽트를 사용하여 데이터 수신을 위해 서비스 프로그램을 깨운 다음 ​​폴링 방법을 사용하여 데이터를 폴링합니다.

예를 들어 네트워크 패킷이 도착하면 네트워크 카드가 하드웨어 인터럽트를 시작한 다음 네트워크 카드 하드웨어 인터럽트 처리 기능이 실행됩니다. 인터럽트 처리 기능이 처리된 후에는 "일시적으로 인터럽트를 마스크"해야 하며, 그런 다음 "소프트 인터럽트"를 깨워 더 이상 데이터가 없을 때까지 데이터를 폴링하고 처리합니다. 인터럽트는 새 데이터가 수신될 때만 복원되므로 한 번의 중단으로 여러 네트워크 패킷이 처리되므로 네트워크 카드 중단으로 인한 성능 오버헤드가 줄어듭니다. .

그럼 소프트 인터럽트는 네트워크 패킷을 어떻게 처리하나요? 링 버퍼의 데이터를 커널 구조체 sk_buff 버퍼로 복사하여 계층별 처리를 위한 네트워크 패킷으로 네트워크 프로토콜 스택에 전달될 수 있습니다.

먼저, 이 계층에서는 패킷의 합법성을 검사합니다. 불법이면 네트워크 패킷의 상위 계층 프로토콜 유형을 폐기합니다. 그런 다음 프레임 헤더와 프레임 트레일러를 제거한 다음 네트워크 계층에 넘겨줍니다.

네트워크 계층에서는 IP 패킷을 꺼내어 처리를 위해 상위 계층으로 넘겨줄지, 전달할지 등 네트워크 패킷의 다음 방향을 결정합니다. 네트워크 패킷이 로컬 시스템으로 전송되는 것이 확인되면 IP 헤더를 확인하여 상위 계층 프로토콜의 유형이 TCP인지 UDP인지 확인한 다음 IP 헤더를 제거한 다음 로컬 시스템에 전달합니다. 전송 계층.

전송 계층은 TCP 헤더 또는 UDP 헤더를 꺼내고 4개의 튜플 "원본 IP, 소스 포트, 대상 IP, 대상 포트"를 식별자로 사용하여 해당 소켓을 찾은 다음 데이터를 소켓의 수신 버퍼에 복사합니다.

마지막으로 애플리케이션 계층 프로그램은 소켓 인터페이스를 호출하여 커널의 소켓 수신 버퍼에서 애플리케이션 계층으로 새로 도착한 데이터를 읽습니다.

이 시점에서 네트워크 패킷을 수신하는 과정은 아래 그림의 왼쪽 부분에서도 볼 수 있습니다. 오른쪽 부분은 바로 그 반대이며, 네트워크 패킷을 보내는 과정입니다. .

Linux의 네트워크 패킷 전송 프로세스

위 그림의 절반에 표시된 것처럼 네트워크 패킷을 보내는 과정은 받는 과정과 정반대입니다.

먼저 애플리케이션은 데이터 패킷을 전송하기 위해 소켓의 인터페이스를 호출합니다. 이는 시스템 호출이므로 커널 상태의 소켓 계층으로 애플리케이션 계층 데이터가 복사됩니다. 소켓 전송 버퍼.

다음으로, 네트워크 프로토콜 스택은 소켓 전송 버퍼에서 데이터 패킷을 꺼내 TCP/IP 프로토콜 스택에 따라 위에서 아래로 계층별로 처리합니다.

TCP 전송 프로토콜을 사용하여 데이터를 보내는 경우 TCP 헤더가 전송 계층에 추가된 다음 네트워크 계층으로 전달됩니다. 네트워크 계층은 데이터 패킷에 IP 패킷을 추가한 후 다음 홉을 확인합니다. 라우팅 테이블을 쿼리하여 IP를 사용하고 조각화를 위해 MTU 크기를 따릅니다.

조각난 네트워크 패킷은 네트워크 인터페이스 계층으로 전송되며, 여기서 다음 홉의 MAC 주소는 ARP 프로토콜을 통해 획득됩니다. 그런 다음 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 추가되어 패킷 전송 대기열에 배치됩니다.

이러한 준비가 완료되면 네트워크 카드 드라이버에 전송해야 할 새 네트워크 패킷이 있음을 알리기 위해 소프트 인터럽트가 트리거됩니다. 마지막으로 드라이버는 DMA를 통해 패킷 전송 대기열에서 네트워크 패킷을 읽고 이를 하드웨어 네트워크 카드의 대기열을 확인한 다음 물리적 네트워크 카드에서 이를 보냅니다.

요약

컴퓨터는 일반적으로 통신 네트워크 카드, 스위치, 라우터 등과 같은 네트워크 장치로 서로 연결됩니다. 네트워크 장치의 이질성으로 인해 국제 표준화 기구에서는 7계층 OSI 네트워크 모델을 정의했지만 이 모델은 상대적으로 복잡합니다. . 실제 응용 프로그램에서는 사용되지 않지만 보다 단순화된 TCP/IP 모델이 이 모델에 따라 구현됩니다.

TCP/IP 모델은 주로 애플리케이션 계층, 전송 계층, 네트워크 계층, 네트워크 인터페이스 계층의 4개 계층으로 구분됩니다. 각 계층은 서로 다른 책임을 담당합니다. 이는 Linux 네트워크 프로토콜 스택의 주요 구성 요소이기도 합니다.

응용 프로그램이 소켓 인터페이스를 통해 데이터 패킷을 보낼 때 데이터 패킷은 네트워크 카드 대기열로 전송되기 전에 네트워크 프로토콜 스택에 의해 위에서 아래로 계층별로 처리된 다음 네트워크 카드가 네트워크 패킷을 보냅니다. 밖으로.

네트워크 패킷을 수신할 때 최종적으로 애플리케이션에 전송되기 전에 네트워크 프로토콜 스택에 의해 아래에서 위로 계층별로 처리되어야 합니다.

간단히 말하면, Linux는 무료 오픈 소스 운영 체제로서 기술 분야에 등장하여 널리 사용되고 있습니다. 숙련된 프로그래머이든 일반 사용자이든 자신에게 맞는 Linux 배포판을 선택하면 예상치 못한 많은 이점을 얻을 수 있습니다. 이 글이 리눅스 배포판을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이라고 믿으며, 여러분의 컴퓨터에서 리눅스의 매력을 경험해보시길 바랍니다.

위 내용은 운영 체제에 대한 이해를 뒤집으십시오 - Linux 배포판 개요의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!