Proiectarea sistemelor de operare

Linux networking

Slide 1 (Notes) 05/29/2008

Linux networking

Implementarea socke ilor n Linux Rutarea n Linux Interfa a cu hardware-ul Optimiz ri

Slide 2 (Notes) 05/29/2008

Stive de protocoale

Retelele sunt controlate prin intermediul unor protocoale, de obicei grupate intr-o stiva de protocoale Avantajele unei stive de protocoale: modularitate Reduce complexitate Mai usor de inteles Usor de modificat

Slide 3 (Notes) 05/29/2008

ISO OSI vs TCP/IP

Aplicatie

TransportInternet

Acces retea

AplicatiePrezentare

SesiuneTransportRetea

Legatura de dateFizic

Slide 4 (Notes) 05/29/2008

Componente ale stivei de re ea n Linux

Berkely Socket Interface

Network device drivers

Queing discipline

Data link layer

Transport layerTCP UDP

Network layerIP NetFilter

BRIDGINGARPETH

Routing

Slide 5 (Notes) 05/29/2008

Implementarea socke ilor n Linux

struct FILE

struct socket

struct inode

f_opSocket file operations:- read- write-select...

f_inode

Slide 6 (Notes) 05/29/2008

Implementarea socke ilor n Linux (2)

struct socket

struct sock

struct inet_sock

struct tcp_sock

struct sock

struct inet_sock

struct udp_sock

struct socket

Slide 7 (Notes) 05/29/2008

Fluxul pachetelor intr-un ruter

Slide 8 (Notes) 05/29/2008

Tabela de rutare

Contine informatii necesare rutarii unui pachet pentru o retea cunoscuta Adresa retelei Masca retelei Interfata sau next hop-ul pe unde trebuie trimis pachetul Metrica

[tavi@tropaila tavi]$ /sbin/routeKernel IP routing tableDestination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface192.168.0.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0172.16.1.0 192.168.58.1 255.255.255.0 UG 0 0 0 vmnet1172.16.125.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 vmnet8192.168.58.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 vmnet1127.0.0.0 * 255.0.0.0 U 0 0 0 lo

Slide 9 (Notes) 05/29/2008

Operatii necesare rutarii

Pentru pachetele primite se verifica daca adresa destinatie coincide cu vreo adresa locala Daca da, se trimite pachetul local Daca nu, se ruteaza pachetul

Se determina Interfata pe care trebuie trimis pachetul Adresa de nivel 2 a next hop-ului Adresa de nivel 3 a next hop-ului

daca este necesar se fragmenteaza / defragmenteaza pachetul se suprascrie header-ul de nivel 2 si se transmite pachetul de interfata determinata

Slide 10 (Notes) 05/29/2008

Implementarea rutarii in Linux

Procesul de rutare este initiat din bottom-half handler-ul asociat gestiunii retelei Pentru determinarea informatiilor de rutare se consulta in ordine Cache-ul de rute

Forwarding Information Database (FIDB)

Slide 11 (Notes) 05/29/2008

Forwarding Information Database

Structura de date ce contine informatii necesare rutarii O tabela cu 32 de intrari, cate una pentru fiecare masca de retea posibila O intrare in tabela contine un pointer catre o lista de structuri ce descriu rute cu aceasi masca de retea

Slide 12 (Notes) 05/29/2008

Forwarding Information Database (2)

Slide 13 (Notes) 05/29/2008

Forwarding Information Database (3)

Slide 14 (Notes) 05/29/2008

Rutarea prin FIB

Se consulta FIB incepand cu zona asociata celei mai specifice masti (/32) Se inspecteaza hash table-ul fiecarei zone Pentru a mari viteza de cautare se folosesc contoare pentru a indica cat de des a fost folosita o ruta; in cadrul unei liste din hash table nodurile se tin ordonate descrescator dupa acest contor Daca nu se face match in hash table-ul unei zone, se trece la urmatoarea Daca nu se face match pe nici o ruta se face drop pe pachet

Slide 15 (Notes) 05/29/2008

Cache-ul de rute

Rutarea fiecarui pachet prin FIB este extrem de lenta atunci cand tabela de rutare nu este foarte mica Pentru a mari viteza se foloseste un cache de rute Un hash table cu 256 de intrari Fiecare intrare contine o lista cu noduri ce descriu un triplet informatii necesare de rutere al acestui tip de pachet: adresele de nivel 2 si 3, interfata de iesire Nodurile sunt ordonate descrescator dupa un contor ce specifica cat de des a fost folosit acesta

Slide 16 (Notes) 05/29/2008

Cache-ul de rute (2)

Slide 17 (Notes) 05/29/2008

Rutarea prin cache-ul de rute

Se calculeaza indexul pentru hash table O combinatie intre adresa sursa, adresa destinatie si TOS Se parcurge lista asociata indexului Daca nu se gaseste nici o potrivire se ruteaza prin FIB Dupa determinarea informatiilor necesare rutarii se introduce o intrare in cache-ul de rute Daca se gaseste o potrivire se actualizeaza contorul nodului, si se reordoneaza lista Intrarile din cache-ul de rute sunt invalidate periodic

Slide 18 (Notes) 05/29/2008

Netfilter

Infrastructura folosit n Linux pentru implementarea facilit ilor de firewall & NAT Bazat pe hook-uri: NF_IP_PRE_ROUTING NF_IP_LOCAL_IN NF_IP_FORWARD NF_IP_LOCAL_OUT NF_IP_POST_ROUTING NF_IP_NUMHOOKS

Slide 19 (Notes) 05/29/2008

skb

Identific un pachet O parte linear Un vector de fragmente O lista de fragment (mai multe skb-uri nl n uite) Func ii de prelucrare: skb_pull, skb_push, skb_reserve, skb_put

Slide 20 (Notes) 05/29/2008

Interfa a cu hardware-ul

RX ring TX ring

Memorie

Slide 21 (Notes) 05/29/2008

Interfa a hardware (2)

RX ring umplut de SO cu buffere pentru pachetele recep ionate TX ring actualizat de SO pentru fiecare pachet de trimis Transferul pachetelor din/n memorie se face de c tre placa de re ea Procesorul este ntrerupt doar cnd S-a recep ionat un pachet Place de re ea confirm trimiterea unui pachet

Slide 22 (Notes) 05/29/2008

Procesare pachetelor

Se face n context softirq n context IRQ La RX: se face doar extragerea din ringul RX si plasarea pachetului n coada de procesare a socket-ului La TX: se face (eventual) doar eliberarea memoriei pentru un pachet trimis

Slide 23 (Notes) 05/29/2008

Interrupt coalescing

Se a teapt un num r de pachete sau un timeout nainte de a trimite ntreruperea Se reduce costul proces rii pe RX atunci cnd pachetele vin n burst Cre te laten a i jitter-ul

Slide 24 (Notes) 05/29/2008

NAPI

Acela i scop ca i interrupt coalescing, dar f r a influen a jitter-ul sau laten a Nu necesit suport hardware n momentul gener rii unei ntreruperi Se dezactiveaz ntreruperea pl cii de re ea Se proceseaz toate pachetele Abia apoi se activeaz ntreruperea la loc

Slide 25 (Notes) 05/29/2008

Scatter-gather

Un pachet poate fi format din zone ne-contigue de memorie Descriptorii de TX/RX mai au un bit: end-of-packet Necesar pentru zero-copying

Slide 26 (Notes) 05/29/2008

Checksum offloading

Checksum-ul pe pachetele TCP/UDP se efectueaz de c tre placa de re ea Place de re ea Prime te pseudo-header checksum-ul i pozi ia checksum-ului n hedear- ul TCP Necesar pentru zero-copying

Slide 27 (Notes) 05/29/2008

TCP offload

Implementarea stivei TCP/IP direct n placa de re ea Probleme Scalabilitate Securitate Confirman

Slide 28 (Notes) 05/29/2008

Transmit Segmentation offload

Optimizare stateless; TCP/UDP Stiva lucreaz cu segmente de dimensiune mare (pn la 64Kb)

Segmentele sunt apoi sparte n pachete n hardware de c tre place de re ea n software nainte de trimiterea c tre device driver (GSO generic segmentation offload)

Slide 29 (Notes) 05/29/2008

Large receive offload

Optimizare stateless; TCP/UDP Reversul TSO Dac se recep ioneaz pachete ale acelua i segment n ordine ele se vor agrega i c tre stiva se va trimite un pachet mare (pn la 64KB) Agregarea se poate face n hardware sau software Pentru a reduce laten a, n momentul n care se iesi din bulca NAPI se face flush

Slide 30 (Notes) 05/29/2008

splice

long splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);

Se mut date de la fd_in la fd_out, f r a se face copierea dac este posibil Unul din file descriptori trebuie s fie neap rat un pipe Offset-ul pentru pipe trebuie s fie NULL Linux 2.6.25 ofer support complet pentru fi iere, socke i

i memorie (via vmsplice)

Slide 31 (Notes) 05/29/2008

Intel I/OAT

Controller pentru copierea din memorie n memorie via DMA Folosit la copierea din/n user-space a datelor socke ilor

Slide 32 (Notes) 05/29/2008