内核网络堆栈的Go 语言实现与分析

柴艳娜

（长安大学信息与网络管理处，陕西西安 710064）

计算机是现代日常生活的一种必需品，其高效可靠的运行需要依赖于一套稳健无缺陷(Bug-free)的操作系统。现代操作系统都会使用内核（Kernel）来对硬件进行管理，因此，可以说内核的安全稳定决定了人们与计算机相处的体验。内核中的缺陷(Bug)将可能使用户的应用程序甚至操作系统本身变得不可靠[1]。

大多数成熟的操作系统内核都是用C 语言实现的，C 语言因其允许高度自由控制内存使用等诸多低级程序操作特性，从而成为最受欢迎的的内核开发语言[2]。这种高度的自由也会带来一些代价，比如内存释放两遍的错误、数组越界的错误以及死锁[3]。同时它也不能防止数据类型的错误解析，保证不了类型的安全性。C 语言也无法方便高效地使用现代多核处理器的全部性能。

如果用Go 等高级语言来开发内核，则可能规避掉很多上述问题。为此，该文用Go 语言实现了内核网络堆栈子系统，进行了可行性研究，并设计实验进行验证。

1 Linux系统网络堆栈

Linux 的网络堆栈（Network Stack）是其内核的一个子模块，如果在源代码基础上从零开始编译Linux内核，可以通过menuconfig 对该模块进行选择和修改配置。位于Linux/net 目录的源代码是Linux 官方自带的默认网络堆栈实现[4]。

Linux 网络堆栈模型如图1 所示。

图1 Linux网络堆栈

网络堆栈共分为6 层，每一层都分别执行不同的处理任务，对于流入、流出数据都会进行处理。最顶层的应用层是操作系统用户空间（User Space）的一部分，用户常驻使用的应用程序如浏览器、IM 软件等便工作在这一层。……