--- title: TCP/IP プロトコルスタック url: https://doc.liz6.com/ja/linux-kernel/06-network-subsystem/02-TCP-IP locale: ja area: linux-kernel tags: - linux-kernel - network-subsystem date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 'カバー範囲: IPv4/IPv6 送受信パス → TCP 状態マシン → 輻輳制御 (CUBIC/BBR) → フロー制御 (スライドウィンドウ) → ソケットバッファ (sk_wmem/sk_rmem) → TCP ファストパスカーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x' --- # TCP/IP プロトコルスタック > カバー範囲: IPv4/IPv6 送受信パス → TCP 状態マシン → 輻輳制御 (CUBIC/BBR) → フロー制御 (スライドウィンドウ) → ソケットバッファ (sk_wmem/sk_rmem) → TCP ファストパス > カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x ## 概要 Linux TCP/IP スタックは、カーネル内で最も最適化が進んでいるサブシステムの1つです。高速パス（確立済みソケット、順序どおり到着するパケット）では、1パケットあたりの処理は数十命令程度です。本稿では、TCP の受信高速パスと輻輳制御に焦点を当てます。 ## IPv4 送受信 ### ip_rcv → ip_local_deliver（受信） ```c // net/ipv4/ip_input.c ip_rcv() ├─ 検証: version==4, チェックサム OK, 長さ妥当 ├─ netfilter NF_INET_PRE_ROUTING (iptables raw/mangle) └─ ip_rcv_finish() ├─ ルーティングテーブル参照: fib_lookup() → dst_entry │ → RTN_LOCAL: ローカル宛 → ip_local_deliver() │ → RTN_UNICAST: フォワーディング → ip_forward() └─ ip_local_deliver() ├─ netfilter NF_INET_LOCAL_IN (iptables filter) └─ ip_local_deliver_finish() └─ ipprot->handler → tcp_v4_rcv() / udp_rcv() ``` ### ip_queue_xmit（送信） ```c // net/ipv4/ip_output.c __ip_queue_xmit(sk) ├─ ルーティング参照: ip_route_output_ports() → dst_entry + ソースIP ├─ IP ヘッダ構築: プロトコル, TTL, DFフラグ, ... ├─ netfilter NF_INET_LOCAL_OUT └─ ip_local_out() ├─ netfilter NF_INET_POST_ROUTING └─ dev_queue_xmit() → QoS qdisc → NIC ドライバ ndo_start_xmit() ``` ## TCP 高速パス: tcp_rcv_established ```c // net/ipv4/tcp_input.c // TCP 受信の最もホットなパス（確立済みソケット、順序どおり到着するパケット） tcp_rcv_established(sk, skb) // fast path（90%以上のパケットがここを通る）: ├─ ヘッダ予測チェック: │ ├─ PSHビット？ → スキップ │ ├─ 順序どおり到着？ (seq == rcv_nxt) ✓ │ ├─ ウィンドウが非ゼロ？ ✓ │ └─ URG/RST/SYN？ → スキップ │ ├─ データを受信キューにコピー: tcp_queue_rcv() │ └─ skb_copy_datagram_msg() → ユーザーバッファへ直接？ (MSG_DONTWAIT の場合) │ ├─ rcv_nxt とウィンドウ告知を更新 │ └─ データがキューに到着済みなら → sk_data_ready() → epoll/read をウェイクアップ // slow path: └─ OOO（順序不同）/ SACK / ウィンドウ満杯 / FIN / RST → tcp_validate_incoming() ``` ## TCP 状態マシン ## 輻輳制御 ```c // net/ipv4/tcp_cong.c // プラグイン可能な輻輳制御モジュール: struct tcp_congestion_ops { void (*cong_avoid)(struct sock *sk, u32 ack, u32 acked); void (*ssthresh)(struct sock *sk); // パケット損失時にスロースタート閾値をリセット u32 (*undo_cwnd)(struct sock *sk); // 偽の再送検出 → cwnd をロールバック }; // CUBIC (デフォルト): // cwnd = C * (t - K)^3 + W_max // K = cube_root(W_max * beta / C) // 利点: 高速な回復, 公平性, 高速リンクでのパフォーマンス // BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT, Google): // パケット損失に依存せず、BDP (Bandwidth-Delay Product) に基づく // 測定: 最大 BW (直近10ラウンド) と最小 RTT (直近10秒) // 目標: inflight ≈ BDP を維持 // 利点: バッファ膨張 (bufferbloat) があるリンクで CUBIC より大幅に優れる ``` ## TCP ソケットバッファのチューニング ```bash # 送信バッファ (デフォルト 16KB, 最大値まで自動拡張) cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem # min default max # 受信バッファ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem # 自動チューニング (デフォルト有効): # sk_wmem と sk_rmem は RTT と帯域幅の探査に基づき自動拡張される # → 高 BDP リンクでは手動で大きなバッファを設定する必要はない ``` ## デバッグ ```bash # TCP 接続状態 ss -tianp # cwnd, rtt, rcv_mss, 全統計情報を含む # 輻輳制御 sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_available_congestion_control # パケット損失/再送統計 nstat -a | grep -E 'TcpRetrans|TcpExt' cat /proc/net/snmp | grep Tcp # TCP 状態のトレース bpftrace -e 'kprobe:tcp_set_state { printf("%s: %d -> %d\n", comm, arg1, arg2); }' ``` ## 参考 - **ソースコード**: `net/ipv4/tcp_input.c`, `net/ipv4/tcp_output.c`, `net/ipv4/tcp_cong.c`, `net/ipv4/tcp_cubic.c`, `net/ipv4/tcp_bbr.c` - **RFC**: RFC 793 (TCP), RFC 5681 (Congestion Control), RFC 8312 (CUBIC) - **LWN**: "TCP fast path", "BBR congestion control" *キーワード: tcp_rcv_established, fast path, CUBIC, BBR, congestion control, socket buffer, TCP state machine*