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# 45 | 答疑（五）：网络收发过程中，缓冲区位置在哪里？
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你好，我是倪朋飞。
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专栏更新至今，四大基础模块的最后一个模块——网络篇，我们就已经学完了。很开心你还没有掉队，仍然在积极学习思考和实践操作，热情地留言和互动。还有不少同学分享了在实际生产环境中，碰到各种性能问题的分析思路和优化方法，这里也谢谢你们。
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今天是性能优化答疑的第五期。照例，我从网络模块的留言中，摘出了一些典型问题，作为今天的答疑内容，集中回复。同样的，为了便于你学习理解，它们并不是严格按照文章顺序排列的。
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每个问题，我都附上了留言区提问的截屏。如果你需要回顾内容原文，可以扫描每个问题右下方的二维码查看。
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## 问题 1：网络收发过程中缓冲区的位置
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第一点，是网络收发过程中，收发队列和缓冲区位置的疑问。
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在 [关于 Linux 网络，你必须要知道这些](https://time.geekbang.org/column/article/80898) 中，我曾介绍过 Linux 网络的收发流程。这个流程涉及到了多个队列和缓冲区，包括：
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* 网卡收发网络包时，通过 DMA 方式交互的**环形缓冲区**；
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* 网卡中断处理程序为网络帧分配的，内核数据结构 **sk\_buff 缓冲区**；
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* 应用程序通过套接字接口，与网络协议栈交互时的**套接字缓冲区。**
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不过相应的，就会有两个问题。
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首先，这些缓冲区的位置在哪儿？是在网卡硬件中，还是在内存中？这个问题其实仔细想一下，就很容易明白——这些缓冲区都处于内核管理的内存中。
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其中，**环形缓冲区**，由于需要 DMA 与网卡交互，理应属于网卡设备驱动的范围。
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**sk\_buff 缓冲区**，是一个维护网络帧结构的双向链表，链表中的每一个元素都是一个网络帧（Packet）。虽然 TCP/IP 协议栈分了好几层，但上下不同层之间的传递，实际上只需要操作这个数据结构中的指针，而无需进行数据复制。
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**套接字缓冲区**，则允许应用程序，给每个套接字配置不同大小的接收或发送缓冲区。应用程序发送数据，实际上就是将数据写入缓冲区；而接收数据，其实就是从缓冲区中读取。至于缓冲区中数据的进一步处理，则由传输层的 TCP 或 UDP 协议来完成。
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其次，这些缓冲区，跟前面内存部分讲到的 Buffer 和 Cache 有什么关联吗？
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这个问题其实也不难回答。我在内存模块曾提到过，内存中提到的 Buffer ，都跟块设备直接相关；而其他的都是 Cache。
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实际上，sk\_buff、套接字缓冲、连接跟踪等，都通过 slab 分配器来管理。你可以直接通过 /proc/slabinfo，来查看它们占用的内存大小。
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## 问题 2：内核协议栈，是通过一个内核线程的方式来运行的吗
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第二个问题，内核协议栈的运行，是按照一个内核线程的方式吗？在内核中，又是如何执行网络协议栈的呢？
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说到网络收发，在中断处理文章中我曾讲过，其中的软中断处理，就有专门的内核线程 ksoftirqd。每个 CPU 都会绑定一个 ksoftirqd 内核线程，比如， 2 个CPU 时，就会有 ksoftirqd/0 和 ksoftirqd/1 这两个内核线程。
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不过要注意，并非所有网络功能，都在软中断内核线程中处理。内核中还有很多其他机制（比如硬中断、kworker、slab 等），这些机制一起协同工作，才能保证整个网络协议栈的正常运行。
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关于内核中网络协议栈的工作原理，以及如何动态跟踪内核的执行流程，专栏后续还有专门的文章来讲。如果对这部分感兴趣，你可以先用我们提到过的 perf、systemtap、bcc-tools 等，试着来分析一下。
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## 问题 3：最大连接数是不是受限于 65535 个端口
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我们知道，无论 TCP 还是 UDP，端口号都只占 16 位，也就说其最大值也只有 65535。那是不是说，如果使用 TCP 协议，在单台机器、单个 IP 地址时，并发连接数最大也只有 65535 呢？
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对于这个问题，首先你要知道，Linux 协议栈，通过五元组来标志一个连接（即协议，源IP、源端口、目的IP、目的端口)。
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明白了这一点，这个问题其实就有了思路。我们应该分客户端和服务器端，这两种场景来分析。
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对客户端来说，每次发起 TCP 连接请求时，都需要分配一个空闲的本地端口，去连接远端的服务器。由于这个本地端口是独占的，所以客户端最多只能发起 65535 个连接。
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对服务器端来说，其通常监听在固定端口上（比如 80 端口），等待客户端的连接。根据五元组结构，我们知道，客户端的IP和端口都是可变的。如果不考虑 IP 地址分类以及资源限制，服务器端的理论最大连接数，可以达到 2 的 48 次方（IP 为 32 位，端口号为 16 位），远大于65535。
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所以，综合来看，客户端最大支持65535个连接，而服务器端可支持的连接数是海量的。当然，由于 Linux 协议栈本身的性能，以及各种物理和软件的资源限制等，这么大的连接数，还是远远达不到的（实际上，C10M 就已经很难了）。
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## 问题 4： “如何优化 NAT 性能”课后思考
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在 [如何优化 NAT 性能](https://time.geekbang.org/column/article/83189) 的最后， 我给你留了两个思考题。
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MASQUERADE 是最常用的 SNAT 规则之一，通常用来为多个内网 IP 地址，提供共享的出口 IP。假设现在有一台 Linux 服务器，用了 MASQUERADE 方式，为内网所有 IP 提供出口访问功能。那么，
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* 当多个内网 IP 地址的端口号相同时，MASQUERADE 还能正常工作吗？
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* 内网 IP 地址数量或者请求数比较多的时候，这种使用方式有没有什么潜在问题呢？
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对于这两个思考题，我来也、ninuxer 等同学，都给出了不错的答案：
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先看第一点，当多个内网 IP 地址的端口号相同时，MASQUERADE 当然仍可以正常工作。不过，你肯定也听说过，配置 MASQUERADE 后，需要各个应用程序去手动配置修改端口号。
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实际上，MASQUERADE 通过 conntrack 机制，记录了每个连接的信息。而在刚才第三个问题 中，我提到过，标志一个连接需要五元组，只要这五元组不是同时相同，网络连接就可以正常进行。
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再看第二点，在内网 IP 地址和连接数比较小时，这种方式的问题不大。但在 IP 地址或并发连接数特别大的情况下，就可能碰到各种各样的资源限制。
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比如，MASQUERADE 既然把内部多个 IP ，转换成了相同的外网 IP（即 SNAT），那么，为了确保发送出去的源端口不重复，原来网络包的源端口也可能会被重新分配。这样的话，转换后的外网 IP 的端口号，就成了限制连接数的一个重要因素。
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除此之外，连接跟踪、MASQUERADE机器的网络带宽等，都是潜在的瓶颈，并且还存在单点的问题。这些情况，在我们实际使用中都需要特别注意。
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今天主要回答这些问题，同时也欢迎你继续在留言区写下疑问和感想，我会持续不断地解答。希望借助每一次的答疑，可以和你一起，把文章知识内化为你的能力，我们不仅在实战中演练，也要在交流中进步。
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