[图解linux][Network stack系列]:网络包到应用的数据流

网卡到协议栈边界发生的事情：

数据包的接受过程

数据包的接收，从下往上经过了三层：网卡驱动、系统内核空间，最后到用户态空间的应用。
现在来详细解释下：

• 当一个新的数据包到达，NIC(network interface controller)调用 DMA engine，通过Ring Buffer将数据包放置到内核内存区。
• 一旦数据包被成功接收，NIC发起中断，由内核的中断处理程序将数据包传递给IP层。
• 经过IP层的处理，数据包被放入队列等待TCP层处理。每个数据包经过TCP层一系列复杂的步骤，更新TCP状态机，
• 最后到达 recv Buffer，等待被应用接收处理。

我现在解释几点：

• Linux内核使用 sk_buff(socket kernel buffers)数据结构描述一个数据包。
• Ring Buffer的大小固定，它不包含实际的数据包，而是包含了指向sk_buff的描述符。当Ring ``Buffer满的时候，新来的数据包将给丢弃。
• 从 NIC 中内存的 package 数据可以不经过 CPU直接拷贝到Kernel中的内存，这个过程就是
  DMA：Directional Memory Access，主要用于快速数据交换。
• 从上图中可以看到 DMA操作了 kernel 中的一块内存，这块内存其实是 Device Driver 注册的时候向Kernel提前申请的。
• 最后需要注意，数据包到达 recv Buffer，TCP就会回ACK确认，既TCP的ACK表示数据包已经被操作系统内核收到，但并不确保应用层一定收到数据（例如这个时候系统crash），因此一般建议应用协议层也要设计自己的确认机制。

数据包的发送过程

上图中红色的线条表示发送数据包的过程，和接收数据的路径相反，数据包的发送从上往下也经过了三层：用户态空间的应用、系统内核空间、最后到网卡驱动。

• 应用先将数据写入TCP send buffer，TCP层将send buffer中的数据构建成数据包转交给IP层。
• IP层会将待发送的数据包放入队列 QDisc(queueing discipline)。
• 数据包成功放入QDisc后，指向数据包的描述符sk_buff被放入Ring Buffer输出队列，随后网卡驱动调用DMA engine将数据发送到网络链路上。