Linux网络子系统收发数据包的流程

同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。
网络模型
为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层等七层，每个层负责不同的功能。其中，
应用层：负责为应用程序提供统一的接口。
表示层：负责把数据转换成兼容接收系统的格式。
会话层，负责维护计算机之间的通信连接。
传输层：负责为数据加上传输表头，形成数据包。
网络层：负责数据的路由和转发。
数据链路层：负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。
物理层：负责在物理网络中传输数据帧。

但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。
TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中：
应用层：负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。
传输层：负责端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。
网络层：负责网络包的封装、寻址和路由，比如 IP、ICMP 等。
网络接口层：负责网络包在物理网络中的传输，比如 MAC 寻址、错误侦测以及通过网卡传输网络帧等。

虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层（而它们对应到 TCP/IP 模型中，实际上是四层和三层）。

Linux网络栈
有了 TCP/IP 模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再发送给下一层。
当然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层，一个提供 REST API 的应用，可以使用 HTTP 协议，把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中，然后向下传递给 TCP 层。
而封装做的事情只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。比如，以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。

其中：
传输层在应用程序数据前面增加了 TCP 头；
网络层在 TCP 数据包前增加了 IP 头；
而网络接口层，又在 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾。

这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小，但物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500（这也是 Linux 的默认值）。一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。
Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：

从上到下来看这个网络栈，可以发现，最上层的应用程序，需要通过系统调用，来跟套接字接口进行交互；套接字的下面，就是我们前面提到的传输层、网络层和网络接口层；最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。
网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。

Linux 网络收发流程
（以下内容都以物理网卡为例。事实上，Linux 还支持众多的虚拟网络设备，而它们的网络收发流程会有一些差别。）
网络包的接收流程
1、当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。
2、网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。
3、内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。
比如：
1、在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（比如 IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
2、网络层取出 IP 头，判断网络包下一步的走向，比如是交给上层处理还是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（比如 TCP 还是 UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。
3、传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 > 四元组作为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。
4、应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。

网络帧—>网卡将数据包放在DMA环形缓冲区—>硬中断的方式通知中断处理程序—>中断处理程序为数据包分配sk_buff，将数据包放在sk_buff 缓冲区—>软中断通知内核->内核协议栈从缓冲区中取出网络帧—>逐层进行处理—>数据链路层去掉枕头帧尾—>网络层去掉ip头，看是否本机处理还是交给下一跳来处理—>传输层去掉tcp头或者udp头，根据< 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 >交给对应的Socket->Socket将数据copy在接收缓存中—>应用程序从Socket接收缓存中读取数据。

可以参见下图：

网络包的发送流程
网络包的发送流程就是上图的右半部分，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。
1、应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把要发送的数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
2、网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。
3、分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。
4、这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。
5、驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。

应用程序—>系统调用陷入内核—>将数据包放在Socket 发送缓冲区—>协议栈从上往下处理—>传输层加上tcp或者udp协议头—>网络层确认下一跳ip，并分片—>网络接口层物理地址寻址，找下一跳的 MAC 地址，添加帧头和帧尾—>放在发包队列—>软中断告知中断处理程序—>驱动程序将数据包放在DMA发送队列—>网卡将数据包发送出去。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
1、应用程序通过套接字接口发送数据包，先要在网络协议栈中从上到下进行逐层处理，最终再送到网卡发送出去。
2、而接收时，同样先经过网络栈从下到上的逐层处理，最终才会送到应用程序。