本文作者張彥飛，原題“127.0.0.1 之本機網(wǎng)絡通信過程知多少 ”，首次發(fā)布于“開發(fā)內(nèi)功修煉”，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。本次有改動。
1、引言
繼《你真的了解127.0.0.1和0.0.0.0的區(qū)別？》之后，這是我整理的第2篇有關本機網(wǎng)絡方面的網(wǎng)絡編程基礎文章。
這次的文章由作者張彥飛原創(chuàng)分享，寫作本文的原因是現(xiàn)在本機網(wǎng)絡 IO 應用非常廣。在 php 中 一般 Nginx 和 php-fpm 是通過 127.0.0.1 來進行通信的；在微服務中，由于 side car 模式的應用，本機網(wǎng)絡請求更是越來越多。所以，如果能深度理解這個問題在各種網(wǎng)絡通信應用的技術實踐中將非常的有意義。
今天咱們就把 127.0.0.1 本機網(wǎng)絡通信相關問題搞搞清楚！
為了方便討論，我把這個問題拆分成3問：
- 1）127.0.0.1 本機網(wǎng)絡 IO 需要經(jīng)過網(wǎng)卡嗎？
- 2）和外網(wǎng)網(wǎng)絡通信相比，在內(nèi)核收發(fā)流程上有啥差別？
- 3）使用 127.0.0.1 能比 192.168.x 更快嗎？
上面這幾個問題，相信包括常期混跡于即時通訊網(wǎng)的即時通訊老鳥們在內(nèi)，都是看似很熟悉，但實則仍然無法透徹講清楚的話題。這次，我們就來徹底搞清楚！
（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-3600-1-1.html）
2、系列文章
本文是系列文章中的第13篇，本系列文章的大綱如下：
《不為人知的網(wǎng)絡編程(一)：淺析TCP協(xié)議中的疑難雜癥(上篇)》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(二)：淺析TCP協(xié)議中的疑難雜癥(下篇)》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(三)：關閉TCP連接時為什么會TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(四)：深入研究分析TCP的異常關閉》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(五)：UDP的連接性和負載均衡》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(六)：深入地理解UDP協(xié)議并用好它》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(七)：如何讓不可靠的UDP變的可靠？》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(八)：從數(shù)據(jù)傳輸層深度解密HTTP》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(九)：理論聯(lián)系實際，全方位深入理解DNS》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(十)：深入操作系統(tǒng)，從內(nèi)核理解網(wǎng)絡包的接收過程(Linux篇)》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(十一)：從底層入手，深度分析TCP連接耗時的秘密》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(十二)：徹底搞懂TCP協(xié)議層的KeepAlive保活機制》
《不為人知的網(wǎng)絡編程(十三)：深入操作系統(tǒng)，徹底搞懂127.0.0.1本機網(wǎng)絡通信》（* 本文）
3、作為對比，先看看跨機網(wǎng)路通信
在開始講述本機通信過程之前，我們先看看跨機網(wǎng)絡通信（以Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的實現(xiàn)為例來講解）。
3.1 跨機數(shù)據(jù)發(fā)送
從 send 系統(tǒng)調(diào)用開始，直到網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，整體流程如下：
在上面這幅圖中，我們看到用戶數(shù)據(jù)被拷貝到內(nèi)核態(tài)，然后經(jīng)過協(xié)議棧處理后進入到了 RingBuffer 中。隨后網(wǎng)卡驅(qū)動真正將數(shù)據(jù)發(fā)送了出去。當發(fā)送完成的時候，是通過硬中斷來通知 CPU，然后清理 RingBuffer。
不過上面這幅圖并沒有很好地把內(nèi)核組件和源碼展示出來，我們再從代碼的視角看一遍。
等網(wǎng)絡發(fā)送完畢之后。網(wǎng)卡在發(fā)送完畢的時候，會給 CPU 發(fā)送一個硬中斷來通知 CPU。收到這個硬中斷后會釋放 RingBuffer 中使用的內(nèi)存。
3.2 跨機數(shù)據(jù)接收
當數(shù)據(jù)包到達另外一臺機器的時候，Linux 數(shù)據(jù)包的接收過程開始了（更詳細的講解可以看看《深入操作系統(tǒng)，從內(nèi)核理解網(wǎng)絡包的接收過程(Linux篇)》）。
▲ 上圖引用自《深入操作系統(tǒng)，從內(nèi)核理解網(wǎng)絡包的接收過程(Linux篇)》
當網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)以后，CPU發(fā)起一個中斷，以通知 CPU 有數(shù)據(jù)到達。當CPU收到中斷請求后，會去調(diào)用網(wǎng)絡驅(qū)動注冊的中斷處理函數(shù)，觸發(fā)軟中斷。ksoftirqd 檢測到有軟中斷請求到達，開始輪詢收包，收到后交由各級協(xié)議棧處理。當協(xié)議棧處理完并把數(shù)據(jù)放到接收隊列的之后，喚醒用戶進程（假設是阻塞方式）。
我們再同樣從內(nèi)核組件和源碼視角看一遍。
3.3 跨機網(wǎng)絡通信匯總
關于跨機網(wǎng)絡通信的理解，可以通俗地用下面這張圖來總結一下：
4、本機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送過程
在上一節(jié)中，我們看到了跨機時整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送過程 。
在本機網(wǎng)絡 IO 的過程中，流程會有一些差別。為了突出重點，本節(jié)將不再介紹整體流程，而是只介紹和跨機邏輯不同的地方。有差異的地方總共有兩個，分別是路由和驅(qū)動程序。
4.1 網(wǎng)絡層路由
發(fā)送數(shù)據(jù)會進入?yún)f(xié)議棧到網(wǎng)絡層的時候，網(wǎng)絡層入口函數(shù)是 ip_queue_xmit。在網(wǎng)絡層里會進行路由選擇，路由選擇完畢后，再設置一些 IP 頭、進行一些 netfilter 的過濾后，將包交給鄰居子系統(tǒng)。
對于本機網(wǎng)絡 IO 來說，特殊之處在于在 local 路由表中就能找到路由項，對應的設備都將使用 loopback 網(wǎng)卡，也就是我們常見的 lO。
我們來詳細看看路由網(wǎng)絡層里這段路由相關工作過程。從網(wǎng)絡層入口函數(shù) ip_queue_xmit 看起。
//file: net/ipv4/ip_output.c
intip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
{
//檢查 socket 中是否有緩存的路由表
rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
if(rt == NULL) {
//沒有緩存則展開查找
//則查找路由項， 并緩存到 socket 中
rt = ip_route_output_ports(...);
sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
}
查找路由項的函數(shù)是 ip_route_output_ports，它又依次調(diào)用到 ip_route_output_flow、__ip_route_output_key、fib_lookup。調(diào)用過程省略掉，直接看 fib_lookup 的關鍵代碼。
//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 將會對 local 和 main 兩個路由表展開查詢，并且是先查 local 后查詢 main。我們在 Linux 上使用命令名可以查看到這兩個路由表， 這里只看 local 路由表（因為本機網(wǎng)絡 IO 查詢到這個表就終止了）。
#ip route list table local
local10.143.x.y dev eth0 proto kernel scope host src 10.143.x.y
local127.0.0.1 dev lo proto kernel scope host src 127.0.0.1
從上述結果可以看出，對于目的是 127.0.0.1 的路由在 local 路由表中就能夠找到了。fib_lookup 工作完成，返回__ip_route_output_key 繼續(xù)。
//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;
}
對于是本機的網(wǎng)絡請求，設備將全部都使用 net->loopback_dev,也就是 lo 虛擬網(wǎng)卡。
接下來的網(wǎng)絡層仍然和跨機網(wǎng)絡 IO 一樣，最終會經(jīng)過 ip_finish_output，最終進入到 鄰居子系統(tǒng)的入口函數(shù) dst_neigh_output 中。
本機網(wǎng)絡 IO 需要進行 IP 分片嗎？因為和正常的網(wǎng)絡層處理過程一樣會經(jīng)過 ip_finish_output 函數(shù)。在這個函數(shù)中，如果 skb 大于 MTU 的話，仍然會進行分片。只不過 lo 的 MTU 比 Ethernet 要大很多。通過 ifconfig 命令就可以查到，普通網(wǎng)卡一般為 1500，而 lO 虛擬接口能有 65535。
在鄰居子系統(tǒng)函數(shù)中經(jīng)過處理，進入到網(wǎng)絡設備子系統(tǒng)（入口函數(shù)是 dev_queue_xmit）。
4.2 網(wǎng)絡設備子系統(tǒng)
網(wǎng)絡設備子系統(tǒng)的入口函數(shù)是 dev_queue_xmit。簡單回憶下之前講述跨機發(fā)送過程的時候，對于真的有隊列的物理設備，在該函數(shù)中進行了一系列復雜的排隊等處理以后，才調(diào)用 dev_hard_start_xmit，從這個函數(shù) 再進入驅(qū)動程序來發(fā)送。
在這個過程中，甚至還有可能會觸發(fā)軟中斷來進行發(fā)送，流程如圖：
但是對于啟動狀態(tài)的回環(huán)設備來說（q->enqueue 判斷為 false），就簡單多了：沒有隊列的問題，直接進入 dev_hard_start_xmit。接著進入回環(huán)設備的“驅(qū)動”里的發(fā)送回調(diào)函數(shù) loopback_xmit，將 skb “發(fā)送”出去。
我們來看下詳細的過程，從網(wǎng)絡設備子系統(tǒng)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) {//回環(huán)設備這里為 false
rc = __dev_xmit_skb(skb, q, dev, txq);
goto out;
}
//開始回環(huán)設備處理
if(dev->flags & IFF_UP) {
dev_hard_start_xmit(skb, dev, txq, ...);
...
}
}
在 dev_hard_start_xmit 中還是將調(diào)用設備驅(qū)動的操作函數(shù)。
//file: net/core/dev.c
int dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq)
{
//獲取設備驅(qū)動的回調(diào)函數(shù)集合 ops
const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;
//調(diào)用驅(qū)動的 ndo_start_xmit 來進行發(fā)送
rc = ops->ndo_start_xmit(skb, dev);
...
}
4.3 “驅(qū)動”程序
對于真實的 igb 網(wǎng)卡來說，它的驅(qū)動代碼都在 drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c 文件里。順著這個路子，我找到了 loopback 設備的“驅(qū)動”代碼位置：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,
};
所以對 dev_hard_start_xmit 調(diào)用實際上執(zhí)行的是 loopback “驅(qū)動” 里的 loopback_xmit。
為什么我把“驅(qū)動”加個引號呢，因為 loopback 是一個純軟件性質(zhì)的虛擬接口，并沒有真正意義上的驅(qū)動，它的工作流程大致如圖。
我們再來看詳細的代碼。
//file:drivers/net/loopback.c
static netdev_tx_t loopback_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
//剝離掉和原 socket 的聯(lián)系
skb_orphan(skb);
//調(diào)用netif_rx
if(likely(netif_rx(skb) == NET_RX_SUCCESS)) {
}
}
在 skb_orphan 中先是把 skb 上的 socket 指針去掉了（剝離了出來）。
注意：在本機網(wǎng)絡 IO 發(fā)送的過程中，傳輸層下面的 skb 就不需要釋放了，直接給接收方傳過去就行了。總算是省了一點點開銷。不過可惜傳輸層的 skb 同樣節(jié)約不了，還是得頻繁地申請和釋放。
接著調(diào)用 netif_rx，在該方法中 中最終會執(zhí)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 把要發(fā)送的 skb 插入 softnet_data->input_pkt_queue 隊列中并調(diào)用 ____napi_schedule 來觸發(fā)軟中斷。
//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);
}
只有觸發(fā)完軟中斷，發(fā)送過程就算是完成了。
5、本機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收過程
5.1 主要過程
在跨機的網(wǎng)絡包的接收過程中，需要經(jīng)過硬中斷，然后才能觸發(fā)軟中斷。
而在本機的網(wǎng)絡 IO 過程中，由于并不真的過網(wǎng)卡，所以網(wǎng)卡實際傳輸，硬中斷就都省去了。直接從軟中斷開始，經(jīng)過 process_backlog 后送進協(xié)議棧，大體過程如下圖。
5.2 詳細過程
接下來我們再看更詳細一點的過程。
在軟中斷被觸發(fā)以后，會進入到 NET_RX_SOFTIRQ 對應的處理方法 net_rx_action 中（至于細節(jié)參見《深入操作系統(tǒng)，從內(nèi)核理解網(wǎng)絡包的接收過程(Linux篇)》一文中的 4.2 小節(jié)）。
//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);
}
}
我們還記得對于 igb 網(wǎng)卡來說，poll 實際調(diào)用的是 igb_poll 函數(shù)。
那么 loopback 網(wǎng)卡的 poll 函數(shù)是誰呢？由于poll_list 里面是 struct softnet_data 對象，我們在 net_dev_init 中找到了蛛絲馬跡。
//file:net/core/dev.c
static int __init net_dev_init(void)
{
for_each_possible_cpu(i) {
sd->backlog.poll = process_backlog;
}
}
原來struct softnet_data 默認的 poll 在初始化的時候設置成了 process_backlog 函數(shù)，來看看它都干了啥。
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()函數(shù)用于將鏈表a連接到鏈表b上，
//形成一個新的鏈表b，并將原來a的頭變成空鏈表。
qlen = skb_queue_len(&sd->input_pkt_queue);
if(qlen)
skb_queue_splice_tail_init(&sd->input_pkt_queue, &sd->process_queue);
}
}
這次先看對 skb_queue_splice_tail_init 的調(diào)用。源碼就不看了，直接說它的作用是把 sd->input_pkt_queue 里的 skb 鏈到 sd->process_queue 鏈表上去。
然后再看 __skb_dequeue， __skb_dequeue 是從 sd->process_queue 上取下來包來處理。這樣和前面發(fā)送過程的結尾處就對上了。發(fā)送過程是把包放到了 input_pkt_queue 隊列里，接收過程是在從這個隊列里取出 skb。
最后調(diào)用 __netif_receive_skb 將 skb(數(shù)據(jù)) 送往協(xié)議棧。在此之后的調(diào)用過程就和跨機網(wǎng)絡 IO 又一致了。
送往協(xié)議棧的調(diào)用鏈是 __netif_receive_skb => __netif_receive_skb_core => deliver_skb 后 將數(shù)據(jù)包送入到 ip_rcv 中（詳情參見《深入操作系統(tǒng)，從內(nèi)核理解網(wǎng)絡包的接收過程(Linux篇)》一文中的 4.3 小節(jié)）。
網(wǎng)絡再往后依次是傳輸層，最后喚醒用戶進程，這里就不多展開了。
6、本機網(wǎng)絡通信過程小結
我們來總結一下本機網(wǎng)絡通信的內(nèi)核執(zhí)行流程：
回想下跨機網(wǎng)絡 IO 的流程是：
好了，回到正題，我們終于可以在單獨的章節(jié)里回答開篇的三個問題啦。
7、開篇三個問題的答案
1）問題1：127.0.0.1 本機網(wǎng)絡 IO 需要經(jīng)過網(wǎng)卡嗎？
通過本文的敘述，我們確定地得出結論，不需要經(jīng)過網(wǎng)卡。即使了把網(wǎng)卡拔了本機網(wǎng)絡是否還可以正常使用的。
2）問題2：數(shù)據(jù)包在內(nèi)核中是個什么走向，和外網(wǎng)發(fā)送相比流程上有啥差別？
總的來說，本機網(wǎng)絡 IO 和跨機 IO 比較起來，確實是節(jié)約了一些開銷。發(fā)送數(shù)據(jù)不需要進 RingBuffer 的驅(qū)動隊列，直接把 skb 傳給接收協(xié)議棧（經(jīng)過軟中斷）。
但是在內(nèi)核其它組件上可是一點都沒少：系統(tǒng)調(diào)用、協(xié)議棧（傳輸層、網(wǎng)絡層等）、網(wǎng)絡設備子系統(tǒng)、鄰居子系統(tǒng)整個走了一個遍。連“驅(qū)動”程序都走了（雖然對于回環(huán)設備來說只是一個純軟件的虛擬出來的東東）。所以即使是本機網(wǎng)絡 IO，也別誤以為沒啥開銷。
3）問題3：使用 127.0.0.1 能比 192.168.x 更快嗎？
先說結論：我認為這兩種使用方法在性能上沒有啥差別。
我覺得有相當大一部分人都會認為訪問本機 Server 的話，用 127.0.0.1 更快。原因是直覺上認為訪問 IP 就會經(jīng)過網(wǎng)卡。
其實內(nèi)核知道本機上所有的 IP，只要發(fā)現(xiàn)目的地址是本機 IP 就可以全走 loopback 回環(huán)設備了。本機其它 IP 和 127.0.0.1 一樣，也是不用過物理網(wǎng)卡的，所以訪問它們性能開銷基本一樣！
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《網(wǎng)絡編程懶人入門(二)：快速理解網(wǎng)絡通信協(xié)議（下篇）》
《網(wǎng)絡編程懶人入門(三)：快速理解TCP協(xié)議一篇就夠》
《網(wǎng)絡編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差異》
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《網(wǎng)絡編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協(xié)議》
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