Linux网络数据包的接收与发送过程
2020-04-24 22:22:57 
阿炯
本文转自wuyangchun的博客，感谢原作者。
数据包的接收过程
本文将介绍在Linux系统中，数据包是如何一步一步从网卡传到进程手中的。如果英文没有问题，强烈建议阅读后面参考里的两篇文章，里面介绍的更详细。本文只讨论以太网的物理网卡，不涉及虚拟设备，并且以一个UDP包的接收过程作为示例。
本示例里列出的函数调用关系来自于kernel 3.13.0，如果你的内核不是这个版本，函数名称和相关路径可能不一样，但背后的原理应该是一样的(或者有细微差别)
网卡到内存
网卡需要有驱动才能工作，驱动是加载到内核中的模块，负责衔接网卡和内核的网络模块，驱动在加载的时候将自己注册进网络模块，当相应的网卡收到数据包时，网络模块会调用相应的驱动程序处理数据。
下图展示了数据包(packet)如何进入内存，并被内核的网络模块开始处理：
+-----+
| | Memroy
+--------+ 1 | | 2 DMA +--------+--------+--------+--------+
| Packet |-------->| NIC |------------>| Packet | Packet | Packet | ...... |
+--------+ | | +--------+--------+--------+--------+
| |<--------+
+-----+ |
| +---------------+
| |
3 | Raise IRQ | Disable IRQ
| 5 |
| |
↓ |
+-----+ +------------+
| | Run IRQ handler | |
| CPU |------------------>| NIC Driver |
| | 4 | |
+-----+ +------------+
|
6 | Raise soft IRQ
|
↓
1：数据包从外面的网络进入物理网卡。如果目的地址不是该网卡，且该网卡没有开启混杂模式，该包会被网卡丢弃。
2：网卡将数据包通过DMA的方式写入到指定的内存地址，该地址由网卡驱动分配并初始化。注：老的网卡可能不支持DMA，不过新的网卡一般都支持。
3：网卡通过硬件中断(IRQ)通知CPU，告诉它有数据来了
4：CPU根据中断表，调用已经注册的中断函数，这个中断函数会调到驱动程序(NIC Driver)中相应的函数
5：驱动先禁用网卡的中断，表示驱动程序已经知道内存中有数据了，告诉网卡下次再收到数据包直接写内存就可以了，不要再通知CPU了，这样可以提高效率，避免CPU不停的被中断。
6：启动软中断。这步结束后，硬件中断处理函数就结束返回了。由于硬中断处理程序执行的过程中不能被中断，所以如果它执行时间过长，会导致CPU没法响应其它硬件的中断，于是内核引入软中断，这样可以将硬中断处理函数中耗时的部分移到软中断处理函数里面来慢慢处理。
内核的网络模块
软中断会触发内核网络模块中的软中断处理函数，后续流程如下
+-----+
17 | |
+----------->| NIC |
| | |
|Enable IRQ +-----+
|
|
+------------+ Memroy
| | Read +--------+--------+--------+--------+
+--------------->| NIC Driver |<--------------------- | Packet | Packet | Packet | ...... |
| | | 9 +--------+--------+--------+--------+
| +------------+
| | | skb
Poll | 8 Raise softIRQ | 6 +-----------------+
| | 10 |
| ↓ ↓
+---------------+ Call +-----------+ +------------------+ +--------------------+ 12 +---------------------+
| net_rx_action |<-------| ksoftirqd | | napi_gro_receive |------->| enqueue_to_backlog |----->| CPU input_pkt_queue |
+---------------+ 7 +-----------+ +------------------+ 11 +--------------------+ +---------------------+
| | 13
14 | + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
↓ ↓
+--------------------------+ 15 +------------------------+
| __netif_receive_skb_core |----------->| packet taps(AF_PACKET) |
+--------------------------+ +------------------------+
|
| 16
↓
+-----------------+
| protocol layers |
+-----------------+
7：内核中的ksoftirqd进程专门负责软中断的处理，当它收到软中断后，就会调用相应软中断所对应的处理函数，对于上面第6步中是网卡驱动模块抛出的软中断，ksoftirqd会调用网络模块的net_rx_action函数
8：net_rx_action调用网卡驱动里的poll函数来一个一个的处理数据包
9：在pool函数中，驱动会一个接一个的读取网卡写到内存中的数据包，内存中数据包的格式只有驱动知道
10：驱动程序将内存中的数据包转换成内核网络模块能识别的skb格式，然后调用napi_gro_receive函数
11：napi_gro_receive会处理GRO相关的内容，也就是将可以合并的数据包进行合并，这样就只需要调用一次协议栈。然后判断是否开启了RPS，如果开启了，将会调用enqueue_to_backlog
12：在enqueue_to_backlog函数中，会将数据包放入CPU的softnet_data结构体的input_pkt_queue中，然后返回，如果input_pkt_queue满了的话，该数据包将会被丢弃，queue的大小可以通过net.core.netdev_max_backlog来配置
13：CPU会接着在自己的软中断上下文中处理自己input_pkt_queue里的网络数据(调用__netif_receive_skb_core)
14：如果没开启RPS，napi_gro_receive会直接调用__netif_receive_skb_core
15：看是不是有AF_PACKET类型的socket(也就是我们常说的原始套接字)，如果有的话，拷贝一份数据给它。tcpdump抓包就是抓的这里的包。
16：调用协议栈相应的函数，将数据包交给协议栈处理。
17：待内存中的所有数据包被处理完成后(即poll函数执行完成)，启用网卡的硬中断，这样下次网卡再收到数据的时候就会通知CPU
enqueue_to_backlog函数也会被netif_rx函数调用，而netif_rx正是lo设备发送数据包时调用的函数
协议栈
IP层
由于是UDP包，所以第一步会进入IP层，然后一级一级的函数往下调：
|
|
↓ promiscuous mode &&
+--------+ PACKET_OTHERHOST (set by driver) +-----------------+
| ip_rcv |-------------------------------------->| drop this packet|
+--------+ +-----------------+
|
|
↓
+---------------------+
| NF_INET_PRE_ROUTING |
+---------------------+
|
|
↓
+---------+
| | enabled ip forword +------------+ +----------------+
| routing |-------------------->| ip_forward |------->| NF_INET_FORWARD |
| | +------------+ +----------------+
+---------+ |
| |
| destination IP is local ↓
↓ +---------------+
+------------------+ | dst_output_sk |
| ip_local_deliver | +---------------+
+------------------+
|
|
↓
+------------------+
| NF_INET_LOCAL_IN |
+------------------+
|
|
↓
+-----------+
| UDP layer |
+-----------+
ip_rcv：ip_rcv函数是IP模块的入口函数，在该函数里面，第一件事就是将垃圾数据包(目的mac地址不是当前网卡，但由于网卡设置了混杂模式而被接收进来)直接丢掉，然后调用注册在NF_INET_PRE_ROUTING上的函数
NF_INET_PRE_ROUTING：netfilter放在协议栈中的钩子，可以通过iptables来注入一些数据包处理函数，用来修改或者丢弃数据包，如果数据包没被丢弃，将继续往下走
routing：进行路由，如果是目的IP不是本地IP，且没有开启ip forward功能，那么数据包将被丢弃，如果开启了ip forward功能，那将进入ip_forward函数
ip_forward：ip_forward会先调用netfilter注册的NF_INET_FORWARD相关函数，如果数据包没有被丢弃，那么将继续往后调用dst_output_sk函数
dst_output_sk：该函数会调用IP层的相应函数将该数据包发送出去，同下一篇要介绍的数据包发送流程的后半部分一样。
ip_local_deliver：如果上面routing的时候发现目的IP是本地IP，那么将会调用该函数，在该函数中，会先调用NF_INET_LOCAL_IN相关的钩子程序，如果通过，数据包将会向下发送到UDP层
UDP层
|
|
↓
+---------+ +-----------------------+
| udp_rcv |----------->| __udp4_lib_lookup_skb |
+---------+ +-----------------------+
|
|
↓
+--------------------+ +-----------+
| sock_queue_rcv_skb |----->| sk_filter |
+--------------------+ +-----------+
|
|
↓
+------------------+
| __skb_queue_tail |
+------------------+
|
|
↓
+---------------+
| sk_data_ready |
+---------------+
udp_rcv：udp_rcv函数是UDP模块的入口函数，它里面会调用其它的函数，主要是做一些必要的检查，其中一个重要的调用是__udp4_lib_lookup_skb，该函数会根据目的IP和端口找对应的socket，如果没有找到相应的socket，那么该数据包将会被丢弃，否则继续
sock_queue_rcv_skb：主要干了两件事，一是检查这个socket的receive buffer是不是满了，如果满了的话，丢弃该数据包，然后就是调用sk_filter看这个包是否是满足条件的包，如果当前socket上设置了filter，且该包不满足条件的话，这个数据包也将被丢弃(在Linux里面，每个socket上都可以像tcpdump里面一样定义filter，不满足条件的数据包将会被丢弃)
__skb_queue_tail：将数据包放入socket接收队列的末尾
sk_data_ready：通知socket数据包已经准备好
调用完sk_data_ready之后，一个数据包处理完成，等待应用层程序来读取，上面所有函数的执行过程都在软中断的上下文中。
socket
应用层一般有两种方式接收数据，一种是recvfrom函数阻塞在那里等着数据来，这种情况下当socket收到通知后，recvfrom就会被唤醒，然后读取接收队列的数据；另一种是通过epoll或者select监听相应的socket，当收到通知后，再调用recvfrom函数去读取接收队列的数据。两种情况都能正常的接收到相应的数据包。
小结
了解数据包的接收流程有助于帮助我们搞清楚我们可以在哪些地方监控和修改数据包，哪些情况下数据包可能被丢弃，为我们处理网络问题提供了一些参考，同时了解netfilter中相应钩子的位置，对于了解iptables的用法有一定的帮助，同时也会帮助我们后续更好的理解Linux下的网络虚拟设备。
数据包的发送过程
继上一篇介绍了数据包的接收过程后，本文将介绍在Linux系统中，数据包是如何一步一步从应用程序到网卡并最终发送出去的。本文只讨论以太网的物理网卡，并且以一个UDP包的发送过程作为示例，由于本人对协议栈的代码不熟，有些地方可能理解有误，欢迎指正。
socket层
+-------------+
| Application |
+-------------+
|
|
↓
+------------------------------------------+
| socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP) |
+------------------------------------------+
|
|
↓
+-------------------+
| sendto(sock, ...) |
+-------------------+
|
|
↓
+--------------+
| inet_sendmsg |
+--------------+
|
|
↓
+---------------+
| inet_autobind |
+---------------+
|
|
↓
+-----------+
| UDP layer |
+-----------+
socket(...)：创建一个socket结构体，并初始化相应的操作函数，由于我们定义的是UDP的socket，所以里面存放的都是跟UDP相关的函数
sendto(sock, ...)：应用层的程序(Application)调用该函数开始发送数据包，该函数数会调用后面的inet_sendmsg
inet_sendmsg：该函数主要是检查当前socket有没有绑定源端口，如果没有的话，调用inet_autobind分配一个，然后调用UDP层的函数
inet_autobind：该函数会调用socket上绑定的get_port函数获取一个可用的端口，由于该socket是UDP的socket，所以get_port函数会调到UDP代码里面的相应函数。
UDP层
|
|
↓
+-------------+
| udp_sendmsg |
+-------------+
|
|
↓
+----------------------+
| ip_route_output_flow |
+----------------------+
|
|
↓
+-------------+
| ip_make_skb |
+-------------+
|
|
↓
+------------------------+
| udp_send_skb(skb, fl4) |
+------------------------+
|
|
↓
+----------+
| IP layer |
+----------+
udp_sendmsg：udp模块发送数据包的入口，该函数较长，在该函数中会先调用ip_route_output_flow获取路由信息(主要包括源IP和网卡)，然后调用ip_make_skb构造skb结构体，最后将网卡的信息和该skb关联。
ip_route_output_flow：该函数会根据路由表和目的IP，找到这个数据包应该从哪个设备发送出去，如果该socket没有绑定源IP，该函数还会根据路由表找到一个最合适的源IP给它。如果该socket已经绑定了源IP，但根据路由表，从这个源IP对应的网卡没法到达目的地址，则该包会被丢弃，于是数据发送失败，sendto函数将返回错误。该函数最后会将找到的设备和源IP塞进flowi4结构体并返回给udp_sendmsg
ip_make_skb：该函数的功能是构造skb包，构造好的skb包里面已经分配了IP包头，并且初始化了部分信息(IP包头的源IP就在这里被设置进去)，同时该函数会调用__ip_append_dat，如果需要分片的话，会在__ip_append_data函数中进行分片，同时还会在该函数中检查socket的send buffer是否已经用光，如果被用光的话，返回ENOBUFS
udp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb里面填充UDP的包头，同时处理checksum，然后调用IP层的相应函数。
IP层
|
|
↓
+-------------+
| ip_send_skb |
+-------------+
|
|
↓
+-------------------+ +-------------------+ +---------------+
| __ip_local_out_sk |------>| NF_INET_LOCAL_OUT |------>| dst_output_sk |
+-------------------+ +-------------------+ +---------------+
|
|
↓
+------------------+ +----------------------+ +-----------+
| ip_finish_output |<-------| NF_INET_POST_ROUTING |<------| ip_output |
+------------------+ +----------------------+ +-----------+
|
|
↓
+-------------------+ +------------------+ +----------------------+
| ip_finish_output2 |----->| dst_neigh_output |------>| neigh_resolve_output |
+-------------------+ +------------------+ +----------------------+
|
|
↓
+----------------+
| dev_queue_xmit |
+----------------+
ip_send_skb：IP模块发送数据包的入口，该函数只是简单的调用一下后面的函数
__ip_local_out_sk：设置IP报文头的长度和checksum，然后调用下面netfilter的钩子
NF_INET_LOCAL_OUT：netfilter的钩子，可以通过iptables来配置怎么处理该数据包，如果该数据包没被丢弃，则继续往下走
dst_output_sk：该函数根据skb里面的信息，调用相应的output函数，在我们UDP IPv4这种情况下，会调用ip_output
ip_output：将上面udp_sendmsg得到的网卡信息写入skb，然后调用NF_INET_POST_ROUTING的钩子
NF_INET_POST_ROUTING：在这里，用户有可能配置了SNAT，从而导致该skb的路由信息发生变化
ip_finish_output：这里会判断经过了上一步后，路由信息是否发生变化，如果发生变化的话，需要重新调用dst_output_sk(重新调用这个函数时，可能就不会再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函数里，这里有可能是xfrm4_transport_output)，否则往下走
ip_finish_output2：根据目的IP到路由表里面找到下一跳(nexthop)的地址，然后调用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表里面找下一跳的neigh信息，没找到的话会调用__neigh_create构造一个空的neigh结构体
dst_neigh_output：在该函数中，如果上一步ip_finish_output2没得到neigh信息，那么将会走到函数neigh_resolve_output中，否则直接调用neigh_hh_output，在该函数中，会将neigh信息里面的mac地址填到skb中，然后调用dev_queue_xmit发送数据包
neigh_resolve_output：该函数里面会发送arp请求，得到下一跳的mac地址，然后将mac地址填到skb中并调用dev_queue_xmit
netdevice子系统
|
|
↓
+----------------+
+----------------| dev_queue_xmit |
| +----------------+
| |
| |
| ↓
| +-----------------+
| | Traffic Control |
| +-----------------+
| loopback |
| or +--------------------------------------------------------------+
| IP tunnels ↓ |
| ↓ |
| +---------------------+ Failed +----------------------+ +---------------+
+----------->| dev_hard_start_xmit |---------->| raise NET_TX_SOFTIRQ |- - - - >| net_tx_action |
+---------------------+ +----------------------+ +---------------+
|
+----------------------------------+
| |
↓ ↓
+----------------+ +------------------------+
| ndo_start_xmit | | packet taps(AF_PACKET) |
+----------------+ +------------------------+
dev_queue_xmit：netdevice子系统的入口函数，在该函数中，会先获取设备对应的qdisc，如果没有的话(如loopback或者IP tunnels)，就直接调用dev_hard_start_xmit，否则数据包将经过Traffic Control模块进行处理
Traffic Control：这里主要是进行一些过滤和优先级处理，在这里，如果队列满了的话，数据包会被丢掉，详情请参考文档，这步完成后也会走到dev_hard_start_xmit
dev_hard_start_xmit：该函数中，首先是拷贝一份skb给“packet taps”，tcpdump就是从这里得到数据的，然后调用ndo_start_xmit。如果dev_hard_start_xmit返回错误的话(大部分情况可能是NETDEV_TX_BUSY)，调用它的函数会把skb放到一个地方，然后抛出软中断NET_TX_SOFTIRQ，交给软中断处理程序net_tx_action稍后重试(如果是loopback或者IP tunnels的话，失败后不会有重试的逻辑)
ndo_start_xmit：这是一个函数指针，会指向具体驱动发送数据的函数
Device Driver
ndo_start_xmit会绑定到具体网卡驱动的相应函数，到这步之后，就归网卡驱动管了，不同的网卡驱动有不同的处理方式，这里不做详细介绍，其大概流程如下：
将skb放入网卡自己的发送队列
通知网卡发送数据包
网卡发送完成后发送中断给CPU
收到中断后进行skb的清理工作
在网卡驱动发送数据包过程中，会有一些地方需要和netdevice子系统打交道，比如网卡的队列满了，需要告诉上层不要再发了，等队列有空闲的时候，再通知上层接着发数据。
其它
SO_SNDBUF: 从上面的流程中可以看出来，对于UDP来说，没有一个对应send buffer存在，SO_SNDBUF只是一个限制，当这个socket分配的skb占用的内存超过这个值的时候，会返回ENOBUFS，所以说只要不出现ENOBUFS错误，把这个值调大没有意义。从sendto函数的帮助文件里面看到这样一句话：(Normally, this does not occur in Linux. Packets are just silently dropped when a device queue overflows.)。这里的device queue应该指的是Traffic Control里面的queue，说明在linux里面，默认的SO_SNDBUF值已经够queue用了，疑问的地方是，queue的长度和个数是可以配置的，如果配置太大的话，按道理应该有可能会出现ENOBUFS的情况。
txqueuelen: 很多地方都说这个是控制qdisc里queue的长度的，但貌似只是部分类型的qdisc用了该配置，如linux默认的pfifo_fast。
hardware RX: 一般网卡都有一个自己的ring queue，这个queue的大小可以通过ethtool来配置，当驱动收到发送请求时，一般是放到这个queue里面，然后通知网卡发送数据，当这个queue满的时候，会给上层调用返回NETDEV_TX_BUSY
packet taps(AF_PACKET): 当第一次发送数据包和重试发送数据包时，都会经过这里，如果发生重试的情况的话，不确定tcpdump是否会抓到两次包，按道理应该不会，可能是我哪里没看懂
参考
NAPI
queueing in the linux network stack
Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Sending Data
Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Receiving Data
Illustrated Guide to Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Receiving Data
Linux网络栈介绍
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。网络也是 Linux 系统最核心的功能。
网络模型
多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。
在计算机网络时代初期，各大厂商推出了不同的网络架构和标准，为统一标准，国际标准化组织 ISO 推出了统一的 OSI 开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model）。
网络分层解决了网络复杂的问题，在网络中传输数据中，我们对不同设备之间的传输数据的格式，需要定义一个数据标准，所以就有了网络协议。
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：
• 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，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：
• 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。
TCP/IP 与 OSI 模型的关系如下图：
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。
而封装做的事情就很简单了，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。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，但我们都知道，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 1500bytes（这也是 Linux 的默认值）。
在Linux操作系统中执行 ifconfig 可以查看到每个网卡的mtu值，有1450、1500等不同的值。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。
理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，对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。
网络包的处理非常复杂，所以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网络包收发流程
了解了 Linux 网络栈后再来看看Linux 到底是怎么收发网络包的。以下内容都以物理网卡为例，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
先来看网络包的接收流程。
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. 接着，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. 接下来，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，
在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（ IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
1. 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（TCP 还是 UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。
2. 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。
3. 最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。
具体过程如下图所示，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。
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，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。
首先，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。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
接下来，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。
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。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。
最后，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。
在不同的网络协议处理下，给我们的网络数据包加上了各种头部，这保证了网络数据在各层物理设备的流转下可以正确抵达目的地。收到处理后的网络数据包后，接受端再通过网络协议将头部字段去除，得到原始的网络数据。
下图是客户端与服务器之间用网络协议连接通信的过程：
Linux 网络根据 TCP/IP 模型，构建其网络协议栈。TCP/IP 模型由应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层组成，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
应用程序通过套接字接口发送数据包时，先要在网络协议栈中从上到下逐层处理，然后才最终送到网卡发送出去；而接收数据包时，也要先经过网络栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序。
了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？
常用网络相关命令
分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代，通常情况下它们会在发行版中默认安装。ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。
有几个字段可以重点关注下：
1、网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。
2、MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
3、网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。
4、网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX （Transmit发送）和 RX（Receive接收） 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络问题：
• errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；
• dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 Ring Buffer，但因为内存不足等原因丢包；
• overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包；
• carrier 表示发生 carrirer 错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等；
• collisions 表示碰撞数据包数。
套接字信息
套接字接口在网络程序功能中是内核与应用层之间的接口。TCP/IP 协议栈的所有数据和控制功能都来自于套接字接口，与 OSI 网络分层模型相比，TCP/IP 协议栈本身在传输层以上就不包含任何其他协议。
在 Linux 操作系统中，替代传输层以上协议实体的标准接口，称为套接字，它负责实现传输层以上所有的功能，可以说套接字是 TCP/IP 协议栈对外的窗口。
ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息也必须关注，可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。推荐使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。
可以执行下面的命令，查询套接字信息：
# head -n 4 表示只显示前面4行
# -l 表示只显示监听套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。
其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。
当套接字处于连接状态（Established）时，
• Recv-Q 表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（即接收队列长度）。
• Send-Q 表示还没有被远端主机确认的字节数（即发送队列长度）。
当套接字处于监听状态（Listening）时，
• Recv-Q 表示全连接队列的长度。
• Send-Q 表示全连接队列的最大长度。
所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。
与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。
连接统计信息
类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
# netstat -s
# ss -s
这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息，展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。
连通性和延时
通常使用ping来测试远程主机的连通性和延时，其基于 ICMP 协议。其输出可以分为两部分：
1. 第一部分，是每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。
2. 第二部分，则是三次 ICMP 请求的汇总。
上面的示例发送了 3 个网络包，并且接收到 3 个响应，没有丢包发生，这说明测试主机到 192.168.2.129是连通的；平均往返延时（RTT）是 0.026 ms，也就是从发送 ICMP 开始，到接收到主机回复的确认，总共经历的时间。
数据包的接收过程
本文将介绍在Linux系统中，数据包是如何一步一步从网卡传到进程手中的。如果英文没有问题，强烈建议阅读后面参考里的两篇文章，里面介绍的更详细。本文只讨论以太网的物理网卡，不涉及虚拟设备，并且以一个UDP包的接收过程作为示例。
本示例里列出的函数调用关系来自于kernel 3.13.0，如果你的内核不是这个版本，函数名称和相关路径可能不一样，但背后的原理应该是一样的(或者有细微差别)
网卡到内存
网卡需要有驱动才能工作，驱动是加载到内核中的模块，负责衔接网卡和内核的网络模块，驱动在加载的时候将自己注册进网络模块，当相应的网卡收到数据包时，网络模块会调用相应的驱动程序处理数据。
下图展示了数据包(packet)如何进入内存，并被内核的网络模块开始处理：
+-----+
| | Memroy
+--------+ 1 | | 2 DMA +--------+--------+--------+--------+
| Packet |-------->| NIC |------------>| Packet | Packet | Packet | ...... |
+--------+ | | +--------+--------+--------+--------+
| |<--------+
+-----+ |
| +---------------+
| |
3 | Raise IRQ | Disable IRQ
| 5 |
| |
↓ |
+-----+ +------------+
| | Run IRQ handler | |
| CPU |------------------>| NIC Driver |
| | 4 | |
+-----+ +------------+
|
6 | Raise soft IRQ
|
↓
1：数据包从外面的网络进入物理网卡。如果目的地址不是该网卡，且该网卡没有开启混杂模式，该包会被网卡丢弃。
2：网卡将数据包通过DMA的方式写入到指定的内存地址，该地址由网卡驱动分配并初始化。注：老的网卡可能不支持DMA，不过新的网卡一般都支持。
3：网卡通过硬件中断(IRQ)通知CPU，告诉它有数据来了
4：CPU根据中断表，调用已经注册的中断函数，这个中断函数会调到驱动程序(NIC Driver)中相应的函数
5：驱动先禁用网卡的中断，表示驱动程序已经知道内存中有数据了，告诉网卡下次再收到数据包直接写内存就可以了，不要再通知CPU了，这样可以提高效率，避免CPU不停的被中断。
6：启动软中断。这步结束后，硬件中断处理函数就结束返回了。由于硬中断处理程序执行的过程中不能被中断，所以如果它执行时间过长，会导致CPU没法响应其它硬件的中断，于是内核引入软中断，这样可以将硬中断处理函数中耗时的部分移到软中断处理函数里面来慢慢处理。
内核的网络模块
软中断会触发内核网络模块中的软中断处理函数，后续流程如下
+-----+
17 | |
+----------->| NIC |
| | |
|Enable IRQ +-----+
|
|
+------------+ Memroy
| | Read +--------+--------+--------+--------+
+--------------->| NIC Driver |<--------------------- | Packet | Packet | Packet | ...... |
| | | 9 +--------+--------+--------+--------+
| +------------+
| | | skb
Poll | 8 Raise softIRQ | 6 +-----------------+
| | 10 |
| ↓ ↓
+---------------+ Call +-----------+ +------------------+ +--------------------+ 12 +---------------------+
| net_rx_action |<-------| ksoftirqd | | napi_gro_receive |------->| enqueue_to_backlog |----->| CPU input_pkt_queue |
+---------------+ 7 +-----------+ +------------------+ 11 +--------------------+ +---------------------+
| | 13
14 | + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
↓ ↓
+--------------------------+ 15 +------------------------+
| __netif_receive_skb_core |----------->| packet taps(AF_PACKET) |
+--------------------------+ +------------------------+
|
| 16
↓
+-----------------+
| protocol layers |
+-----------------+
7：内核中的ksoftirqd进程专门负责软中断的处理，当它收到软中断后，就会调用相应软中断所对应的处理函数，对于上面第6步中是网卡驱动模块抛出的软中断，ksoftirqd会调用网络模块的net_rx_action函数
8：net_rx_action调用网卡驱动里的poll函数来一个一个的处理数据包
9：在pool函数中，驱动会一个接一个的读取网卡写到内存中的数据包，内存中数据包的格式只有驱动知道
10：驱动程序将内存中的数据包转换成内核网络模块能识别的skb格式，然后调用napi_gro_receive函数
11：napi_gro_receive会处理GRO相关的内容，也就是将可以合并的数据包进行合并，这样就只需要调用一次协议栈。然后判断是否开启了RPS，如果开启了，将会调用enqueue_to_backlog
12：在enqueue_to_backlog函数中，会将数据包放入CPU的softnet_data结构体的input_pkt_queue中，然后返回，如果input_pkt_queue满了的话，该数据包将会被丢弃，queue的大小可以通过net.core.netdev_max_backlog来配置
13：CPU会接着在自己的软中断上下文中处理自己input_pkt_queue里的网络数据(调用__netif_receive_skb_core)
14：如果没开启RPS，napi_gro_receive会直接调用__netif_receive_skb_core
15：看是不是有AF_PACKET类型的socket(也就是我们常说的原始套接字)，如果有的话，拷贝一份数据给它。tcpdump抓包就是抓的这里的包。
16：调用协议栈相应的函数，将数据包交给协议栈处理。
17：待内存中的所有数据包被处理完成后(即poll函数执行完成)，启用网卡的硬中断，这样下次网卡再收到数据的时候就会通知CPU
enqueue_to_backlog函数也会被netif_rx函数调用，而netif_rx正是lo设备发送数据包时调用的函数
协议栈
IP层
由于是UDP包，所以第一步会进入IP层，然后一级一级的函数往下调：
|
|
↓ promiscuous mode &&
+--------+ PACKET_OTHERHOST (set by driver) +-----------------+
| ip_rcv |-------------------------------------->| drop this packet|
+--------+ +-----------------+
|
|
↓
+---------------------+
| NF_INET_PRE_ROUTING |
+---------------------+
|
|
↓
+---------+
| | enabled ip forword +------------+ +----------------+
| routing |-------------------->| ip_forward |------->| NF_INET_FORWARD |
| | +------------+ +----------------+
+---------+ |
| |
| destination IP is local ↓
↓ +---------------+
+------------------+ | dst_output_sk |
| ip_local_deliver | +---------------+
+------------------+
|
|
↓
+------------------+
| NF_INET_LOCAL_IN |
+------------------+
|
|
↓
+-----------+
| UDP layer |
+-----------+
ip_rcv：ip_rcv函数是IP模块的入口函数，在该函数里面，第一件事就是将垃圾数据包(目的mac地址不是当前网卡，但由于网卡设置了混杂模式而被接收进来)直接丢掉，然后调用注册在NF_INET_PRE_ROUTING上的函数
NF_INET_PRE_ROUTING：netfilter放在协议栈中的钩子，可以通过iptables来注入一些数据包处理函数，用来修改或者丢弃数据包，如果数据包没被丢弃，将继续往下走
routing：进行路由，如果是目的IP不是本地IP，且没有开启ip forward功能，那么数据包将被丢弃，如果开启了ip forward功能，那将进入ip_forward函数
ip_forward：ip_forward会先调用netfilter注册的NF_INET_FORWARD相关函数，如果数据包没有被丢弃，那么将继续往后调用dst_output_sk函数
dst_output_sk：该函数会调用IP层的相应函数将该数据包发送出去，同下一篇要介绍的数据包发送流程的后半部分一样。
ip_local_deliver：如果上面routing的时候发现目的IP是本地IP，那么将会调用该函数，在该函数中，会先调用NF_INET_LOCAL_IN相关的钩子程序，如果通过，数据包将会向下发送到UDP层
UDP层
|
|
↓
+---------+ +-----------------------+
| udp_rcv |----------->| __udp4_lib_lookup_skb |
+---------+ +-----------------------+
|
|
↓
+--------------------+ +-----------+
| sock_queue_rcv_skb |----->| sk_filter |
+--------------------+ +-----------+
|
|
↓
+------------------+
| __skb_queue_tail |
+------------------+
|
|
↓
+---------------+
| sk_data_ready |
+---------------+
udp_rcv：udp_rcv函数是UDP模块的入口函数，它里面会调用其它的函数，主要是做一些必要的检查，其中一个重要的调用是__udp4_lib_lookup_skb，该函数会根据目的IP和端口找对应的socket，如果没有找到相应的socket，那么该数据包将会被丢弃，否则继续
sock_queue_rcv_skb：主要干了两件事，一是检查这个socket的receive buffer是不是满了，如果满了的话，丢弃该数据包，然后就是调用sk_filter看这个包是否是满足条件的包，如果当前socket上设置了filter，且该包不满足条件的话，这个数据包也将被丢弃(在Linux里面，每个socket上都可以像tcpdump里面一样定义filter，不满足条件的数据包将会被丢弃)
__skb_queue_tail：将数据包放入socket接收队列的末尾
sk_data_ready：通知socket数据包已经准备好
调用完sk_data_ready之后，一个数据包处理完成，等待应用层程序来读取，上面所有函数的执行过程都在软中断的上下文中。
socket
应用层一般有两种方式接收数据，一种是recvfrom函数阻塞在那里等着数据来，这种情况下当socket收到通知后，recvfrom就会被唤醒，然后读取接收队列的数据；另一种是通过epoll或者select监听相应的socket，当收到通知后，再调用recvfrom函数去读取接收队列的数据。两种情况都能正常的接收到相应的数据包。
小结
了解数据包的接收流程有助于帮助我们搞清楚我们可以在哪些地方监控和修改数据包，哪些情况下数据包可能被丢弃，为我们处理网络问题提供了一些参考，同时了解netfilter中相应钩子的位置，对于了解iptables的用法有一定的帮助，同时也会帮助我们后续更好的理解Linux下的网络虚拟设备。
数据包的发送过程
继上一篇介绍了数据包的接收过程后，本文将介绍在Linux系统中，数据包是如何一步一步从应用程序到网卡并最终发送出去的。本文只讨论以太网的物理网卡，并且以一个UDP包的发送过程作为示例，由于本人对协议栈的代码不熟，有些地方可能理解有误，欢迎指正。
socket层
+-------------+
| Application |
+-------------+
|
|
↓
+------------------------------------------+
| socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP) |
+------------------------------------------+
|
|
↓
+-------------------+
| sendto(sock, ...) |
+-------------------+
|
|
↓
+--------------+
| inet_sendmsg |
+--------------+
|
|
↓
+---------------+
| inet_autobind |
+---------------+
|
|
↓
+-----------+
| UDP layer |
+-----------+
socket(...)：创建一个socket结构体，并初始化相应的操作函数，由于我们定义的是UDP的socket，所以里面存放的都是跟UDP相关的函数
sendto(sock, ...)：应用层的程序(Application)调用该函数开始发送数据包，该函数数会调用后面的inet_sendmsg
inet_sendmsg：该函数主要是检查当前socket有没有绑定源端口，如果没有的话，调用inet_autobind分配一个，然后调用UDP层的函数
inet_autobind：该函数会调用socket上绑定的get_port函数获取一个可用的端口，由于该socket是UDP的socket，所以get_port函数会调到UDP代码里面的相应函数。
UDP层
|
|
↓
+-------------+
| udp_sendmsg |
+-------------+
|
|
↓
+----------------------+
| ip_route_output_flow |
+----------------------+
|
|
↓
+-------------+
| ip_make_skb |
+-------------+
|
|
↓
+------------------------+
| udp_send_skb(skb, fl4) |
+------------------------+
|
|
↓
+----------+
| IP layer |
+----------+
udp_sendmsg：udp模块发送数据包的入口，该函数较长，在该函数中会先调用ip_route_output_flow获取路由信息(主要包括源IP和网卡)，然后调用ip_make_skb构造skb结构体，最后将网卡的信息和该skb关联。
ip_route_output_flow：该函数会根据路由表和目的IP，找到这个数据包应该从哪个设备发送出去，如果该socket没有绑定源IP，该函数还会根据路由表找到一个最合适的源IP给它。如果该socket已经绑定了源IP，但根据路由表，从这个源IP对应的网卡没法到达目的地址，则该包会被丢弃，于是数据发送失败，sendto函数将返回错误。该函数最后会将找到的设备和源IP塞进flowi4结构体并返回给udp_sendmsg
ip_make_skb：该函数的功能是构造skb包，构造好的skb包里面已经分配了IP包头，并且初始化了部分信息(IP包头的源IP就在这里被设置进去)，同时该函数会调用__ip_append_dat，如果需要分片的话，会在__ip_append_data函数中进行分片，同时还会在该函数中检查socket的send buffer是否已经用光，如果被用光的话，返回ENOBUFS
udp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb里面填充UDP的包头，同时处理checksum，然后调用IP层的相应函数。
IP层
|
|
↓
+-------------+
| ip_send_skb |
+-------------+
|
|
↓
+-------------------+ +-------------------+ +---------------+
| __ip_local_out_sk |------>| NF_INET_LOCAL_OUT |------>| dst_output_sk |
+-------------------+ +-------------------+ +---------------+
|
|
↓
+------------------+ +----------------------+ +-----------+
| ip_finish_output |<-------| NF_INET_POST_ROUTING |<------| ip_output |
+------------------+ +----------------------+ +-----------+
|
|
↓
+-------------------+ +------------------+ +----------------------+
| ip_finish_output2 |----->| dst_neigh_output |------>| neigh_resolve_output |
+-------------------+ +------------------+ +----------------------+
|
|
↓
+----------------+
| dev_queue_xmit |
+----------------+
ip_send_skb：IP模块发送数据包的入口，该函数只是简单的调用一下后面的函数
__ip_local_out_sk：设置IP报文头的长度和checksum，然后调用下面netfilter的钩子
NF_INET_LOCAL_OUT：netfilter的钩子，可以通过iptables来配置怎么处理该数据包，如果该数据包没被丢弃，则继续往下走
dst_output_sk：该函数根据skb里面的信息，调用相应的output函数，在我们UDP IPv4这种情况下，会调用ip_output
ip_output：将上面udp_sendmsg得到的网卡信息写入skb，然后调用NF_INET_POST_ROUTING的钩子
NF_INET_POST_ROUTING：在这里，用户有可能配置了SNAT，从而导致该skb的路由信息发生变化
ip_finish_output：这里会判断经过了上一步后，路由信息是否发生变化，如果发生变化的话，需要重新调用dst_output_sk(重新调用这个函数时，可能就不会再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函数里，这里有可能是xfrm4_transport_output)，否则往下走
ip_finish_output2：根据目的IP到路由表里面找到下一跳(nexthop)的地址，然后调用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表里面找下一跳的neigh信息，没找到的话会调用__neigh_create构造一个空的neigh结构体
dst_neigh_output：在该函数中，如果上一步ip_finish_output2没得到neigh信息，那么将会走到函数neigh_resolve_output中，否则直接调用neigh_hh_output，在该函数中，会将neigh信息里面的mac地址填到skb中，然后调用dev_queue_xmit发送数据包
neigh_resolve_output：该函数里面会发送arp请求，得到下一跳的mac地址，然后将mac地址填到skb中并调用dev_queue_xmit
netdevice子系统
|
|
↓
+----------------+
+----------------| dev_queue_xmit |
| +----------------+
| |
| |
| ↓
| +-----------------+
| | Traffic Control |
| +-----------------+
| loopback |
| or +--------------------------------------------------------------+
| IP tunnels ↓ |
| ↓ |
| +---------------------+ Failed +----------------------+ +---------------+
+----------->| dev_hard_start_xmit |---------->| raise NET_TX_SOFTIRQ |- - - - >| net_tx_action |
+---------------------+ +----------------------+ +---------------+
|
+----------------------------------+
| |
↓ ↓
+----------------+ +------------------------+
| ndo_start_xmit | | packet taps(AF_PACKET) |
+----------------+ +------------------------+
dev_queue_xmit：netdevice子系统的入口函数，在该函数中，会先获取设备对应的qdisc，如果没有的话(如loopback或者IP tunnels)，就直接调用dev_hard_start_xmit，否则数据包将经过Traffic Control模块进行处理
Traffic Control：这里主要是进行一些过滤和优先级处理，在这里，如果队列满了的话，数据包会被丢掉，详情请参考文档，这步完成后也会走到dev_hard_start_xmit
dev_hard_start_xmit：该函数中，首先是拷贝一份skb给“packet taps”，tcpdump就是从这里得到数据的，然后调用ndo_start_xmit。如果dev_hard_start_xmit返回错误的话(大部分情况可能是NETDEV_TX_BUSY)，调用它的函数会把skb放到一个地方，然后抛出软中断NET_TX_SOFTIRQ，交给软中断处理程序net_tx_action稍后重试(如果是loopback或者IP tunnels的话，失败后不会有重试的逻辑)
ndo_start_xmit：这是一个函数指针，会指向具体驱动发送数据的函数
Device Driver
ndo_start_xmit会绑定到具体网卡驱动的相应函数，到这步之后，就归网卡驱动管了，不同的网卡驱动有不同的处理方式，这里不做详细介绍，其大概流程如下：
将skb放入网卡自己的发送队列
通知网卡发送数据包
网卡发送完成后发送中断给CPU
收到中断后进行skb的清理工作
在网卡驱动发送数据包过程中，会有一些地方需要和netdevice子系统打交道，比如网卡的队列满了，需要告诉上层不要再发了，等队列有空闲的时候，再通知上层接着发数据。
其它
SO_SNDBUF: 从上面的流程中可以看出来，对于UDP来说，没有一个对应send buffer存在，SO_SNDBUF只是一个限制，当这个socket分配的skb占用的内存超过这个值的时候，会返回ENOBUFS，所以说只要不出现ENOBUFS错误，把这个值调大没有意义。从sendto函数的帮助文件里面看到这样一句话：(Normally, this does not occur in Linux. Packets are just silently dropped when a device queue overflows.)。这里的device queue应该指的是Traffic Control里面的queue，说明在linux里面，默认的SO_SNDBUF值已经够queue用了，疑问的地方是，queue的长度和个数是可以配置的，如果配置太大的话，按道理应该有可能会出现ENOBUFS的情况。
txqueuelen: 很多地方都说这个是控制qdisc里queue的长度的，但貌似只是部分类型的qdisc用了该配置，如linux默认的pfifo_fast。
hardware RX: 一般网卡都有一个自己的ring queue，这个queue的大小可以通过ethtool来配置，当驱动收到发送请求时，一般是放到这个queue里面，然后通知网卡发送数据，当这个queue满的时候，会给上层调用返回NETDEV_TX_BUSY
packet taps(AF_PACKET): 当第一次发送数据包和重试发送数据包时，都会经过这里，如果发生重试的情况的话，不确定tcpdump是否会抓到两次包，按道理应该不会，可能是我哪里没看懂
参考
NAPI
queueing in the linux network stack
Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Sending Data
Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Receiving Data
Illustrated Guide to Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Receiving Data
Linux网络栈介绍
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。网络也是 Linux 系统最核心的功能。
网络模型
多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。
在计算机网络时代初期，各大厂商推出了不同的网络架构和标准，为统一标准，国际标准化组织 ISO 推出了统一的 OSI 开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model）。
网络分层解决了网络复杂的问题，在网络中传输数据中，我们对不同设备之间的传输数据的格式，需要定义一个数据标准，所以就有了网络协议。
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：
• 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，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：
• 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。
TCP/IP 与 OSI 模型的关系如下图：
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。
而封装做的事情就很简单了，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。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，但我们都知道，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 1500bytes（这也是 Linux 的默认值）。
在Linux操作系统中执行 ifconfig 可以查看到每个网卡的mtu值，有1450、1500等不同的值。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。
理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，对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。
网络包的处理非常复杂，所以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网络包收发流程
了解了 Linux 网络栈后再来看看Linux 到底是怎么收发网络包的。以下内容都以物理网卡为例，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
先来看网络包的接收流程。
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. 接着，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. 接下来，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，
在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（ IPv4 还是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，然后交给网络层。
1. 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（TCP 还是 UDP），去掉 IP 头，再交给传输层处理。
2. 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。
3. 最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。
具体过程如下图所示，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。
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，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。
首先，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。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
接下来，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。
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。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。
最后，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。
在不同的网络协议处理下，给我们的网络数据包加上了各种头部，这保证了网络数据在各层物理设备的流转下可以正确抵达目的地。收到处理后的网络数据包后，接受端再通过网络协议将头部字段去除，得到原始的网络数据。
下图是客户端与服务器之间用网络协议连接通信的过程：
Linux 网络根据 TCP/IP 模型，构建其网络协议栈。TCP/IP 模型由应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层组成，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
应用程序通过套接字接口发送数据包时，先要在网络协议栈中从上到下逐层处理，然后才最终送到网卡发送出去；而接收数据包时，也要先经过网络栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序。
了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？
常用网络相关命令
分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。ifconfig 和 ip 分别属于软件包 net-tools 和 iproute2，iproute2 是 net-tools 的下一代，通常情况下它们会在发行版中默认安装。ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。
有几个字段可以重点关注下：
1、网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。
2、MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
3、网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。
4、网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX （Transmit发送）和 RX（Receive接收） 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络问题：
• errors 表示发生错误的数据包数，比如校验错误、帧同步错误等；
• dropped 表示丢弃的数据包数，即数据包已经收到了 Ring Buffer，但因为内存不足等原因丢包；
• overruns 表示超限数据包数，即网络 I/O 速度过快，导致 Ring Buffer 中的数据包来不及处理（队列满）而导致的丢包；
• carrier 表示发生 carrirer 错误的数据包数，比如双工模式不匹配、物理电缆出现问题等；
• collisions 表示碰撞数据包数。
套接字信息
套接字接口在网络程序功能中是内核与应用层之间的接口。TCP/IP 协议栈的所有数据和控制功能都来自于套接字接口，与 OSI 网络分层模型相比，TCP/IP 协议栈本身在传输层以上就不包含任何其他协议。
在 Linux 操作系统中，替代传输层以上协议实体的标准接口，称为套接字，它负责实现传输层以上所有的功能，可以说套接字是 TCP/IP 协议栈对外的窗口。
ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息也必须关注，可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。推荐使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。
可以执行下面的命令，查询套接字信息：
# head -n 4 表示只显示前面4行
# -l 表示只显示监听套接字
# -n 表示显示数字地址和端口(而不是名字)
# -p 表示显示进程信息
netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。
其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。
当套接字处于连接状态（Established）时，
• Recv-Q 表示套接字缓冲还没有被应用程序取走的字节数（即接收队列长度）。
• Send-Q 表示还没有被远端主机确认的字节数（即发送队列长度）。
当套接字处于监听状态（Listening）时，
• Recv-Q 表示全连接队列的长度。
• Send-Q 表示全连接队列的最大长度。
所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。
与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。
连接统计信息
类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
# netstat -s
# ss -s
这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息，展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。
连通性和延时
通常使用ping来测试远程主机的连通性和延时，其基于 ICMP 协议。其输出可以分为两部分：
1. 第一部分，是每个 ICMP 请求的信息，包括 ICMP 序列号（icmp_seq）、TTL（生存时间，或者跳数）以及往返延时。
2. 第二部分，则是三次 ICMP 请求的汇总。
上面的示例发送了 3 个网络包，并且接收到 3 个响应，没有丢包发生，这说明测试主机到 192.168.2.129是连通的；平均往返延时（RTT）是 0.026 ms，也就是从发送 ICMP 开始，到接收到主机回复的确认，总共经历的时间。