3.2 Linux 系统收包流程

本节，我们了解数据包进入网卡（eth0）后，Linux 内核中各个模块是如何相互协作的，对 Linux 系统下网络包的接收过程有个全局性的认识。

总结 Linux 系统收包流程，笔者绘制出图 3-1。
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图 3-1 Linux 系统收包流程
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1. 当外部网络发送数据包到服务器时，首先由网卡 eth0 接收该数据包。
2. 网卡通过 DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）技术，将数据包直接拷贝到内核中的 RingBuffer（环形缓冲区）等待 CPU 处理。RingBuffer 是一种首尾相接的环形数据结构，它的主要作用是作为缓冲区，缓解网卡接收数据的速度快于 CPU 处理数据的速度问题。
3. 数据包成功写入 RingBuffer 后，网卡产生 IRQ（Interrupt Request，硬件中断），通知内核有新的数据包到达。
4. 内核收到硬件中断后，立即调用对应的中断处理函数。通常情况下，中断处理函数会简单地标记有新数据到达，并唤醒 ksoftirqd 内核线程来处理软中断（SoftIRQ）。
5. 软中断处理过程中。内核调用网卡驱动提前在内核中注册的 NAPI（New API）poll 接口，从 RingBuffer 中提取数据包，并生成 skb（Socket Buffer）数据。skb 是 Linux 内核中用于管理网络数据包的主要结构。它包含了网络包的所有信息，包括头部、数据负载等，并在内核的各个网络协议层之间传递。
6. skb 被传递到内核协议栈中进行处理。这里涉及多个网络层次的处理操作：
   • 网络层（L3 Network layer）：根据主机中的路由表，判断数据包路由到哪一个网络接口（Network Interface）。这里的网络接口可能是稍后介绍的虚拟设备，也可能是物理网卡 eth0 接口。
   • 传输层（L4 Transport layer）：如解/封数据包，处理网络地址转换（NAT）、连接跟踪（conntrack）等操作。
7. 内核协议栈处理完成后，数据包被传递到 socket 接收缓冲区。应用程序随后利用系统调用（如 Socket API）从缓冲区中读取数据。至此，整个收包过程结束。

分析 Linux 系统处理网络数据包的过程，我们可以注意到潜在问题：数据包的处理流程过于冗长。整个处理流程涉及到多个网络层协议栈，如数据链路层、网络层、传输层和应用层。这些网络层之间传递数据需要封包/解包，以及频繁的操作系统上下文切换。

对于多数常规应用，Linux 内核的局限性通常无需特别关注。但对于处理大规模并发连接的网络密集型系统，Linux 内核造成的瓶颈就变得不可忽视。除了想办法优化内核网络，业界提出了“绕过内核”的技术思路，如图 3-1 所示的 XDP 和 DPDK 技术，笔者将在 3.4 节中详细介绍它们的原理与区别。

接下来，我们将继续深入 Linux 内核网络模块，研究 Linux 内核是如何过滤、修改和转发数据的。