1. 基本概念
网卡：网卡是计算机里的一个硬件，专门负责接收和发送网络包，当网卡接收到一个网络包后，会通过 DMA 技术，将网络包写入到指定的内存地址，接着就会告诉操作系统这个网络包已经到达。
OSI 网络模型：该模型主要有 7 层，每一层负责的职能都不同，如下
应用层，负责给应用程序提供统一的接口；
表示层，负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式；
会话层，负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话；
传输层，负责端到端的数据传输；
网络层，负责数据的路由、转发、分片；
数据链路层，负责数据的封帧和差错检测，以及 MAC 寻址；
物理层，负责在物理网络中传输数据帧；
TCP/IP 网络模型：共有 4 层，每一层负责的职能如下
应用层，负责向用户提供一组应用程序，比如 HTTP、DNS、FTP 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、分片、路由、转发，比如 IP、ICMP 等；
网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，比如网络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测，以及通过网卡传输网络帧等；
Linux中使用的主要还是TCP/IP网络模型
2. 收发包过程
- 当网络包到达网卡时，网卡会通过DMA方式将其放入环形缓冲队列，即RingBuffer，它是网卡在启动时分配和初始化的环形缓冲队列。如果RingBuffer已满，新的数据包将被丢弃。
- 当DMA操作完成时，网卡会向CPU发起一个硬中断，表明有网络包到达。CPU根据中断表，调用注册的中断处理函数。网卡硬中断响应程序会先暂时屏蔽中断，避免 CPU 被不停中断。然后为网络包创建内核数据结构sk_buffer，并将网络包数据拷贝到sk_buffer中。接着发起软中断请求，通知内核有新的网络包到达，并恢复之前屏蔽的中断
- 内核中的ksoftirqd （每个CPU会绑定一个ksoftirqd内核线程专门用来处理软中断响应）线程专门负责软中断的处理，当 ksoftirqd 发现有软中断请求到来，将调用网卡驱动注册的函数（一般是poll函数），poll函数将sk_buffer中的网络数据包送到网络协议栈中。
- 当数据包到达网络协议栈时，首先会经过网络接口层的处理，该层会检查报文的合法性，如果不合法则丢弃，合法则会确定该网络包的上层协议类型（如IPv4或IPv6），然后去掉帧头和帧尾，最后交给网络层处理。
- 数据包到达网络层时，内核会取出数据包的IP头，判断该数据包下一跳的走向，如果数据包是发送给本机的，则取出传输层的协议类型（TCP或者UDP)，并去掉数据包的IP头，将数据包交给上图中的传输层处理。
- 在传输层中，TCP协议对应内核协议栈中注册的tcp_rcv函数，UDP协议对应内核协议栈中注册的udp_rcv函数。以TCP协议为例，数据包到达传输层时，会由内核协议栈中的tcp_rcv函数处理，在tcp_rcv函数中去掉TCP头，并根据四元组（源IP，源端口，目的IP，目的端口）查找对应的Socket，将网络数据包中的传输数据拷贝到Socket中的接收缓冲区中。
- 最后，由用户态的应用层程序通过系统调用read读取Socket接收缓冲区中的数据，如果接收缓冲区中没有数据，那么应用程序就会在系统调用上阻塞，直到Socket接收缓冲区有数据，将内核的 Socket 接收缓冲区的数据「拷贝」到应用层的缓冲区，然后唤醒用户进程，应用程序读取数据。
- 发包过程则相当于收包过程反向进行，其中，如果使用的是 TCP协议发送数据，那么内核会先拷贝一个新的 sk_buff 副本进行传输，这是因为 TCP 协议是支持重传的，在收到对方的 ACK报文之前，这个 sk_buff 需要保留以保证后续可以重新发送。所以每次发送的时候，实际上传输的是 sk_buff 的一个拷贝，等收到 ACK 再真正删除。
3. 性能开销
收包开销：
- 应用程序通过系统调用read读取网络数据时，需要从用户态转为内核态
- 数据接收完成后，系统调用返回时从内核态转为用户态。
- 网络数据从内核空间拷贝到用户空间。
- 内核线程ksoftirqd响应软中断。
- 网卡数据到达后，CPU响应硬中断。
- DMA拷贝网络数据包到内存。
发包开销：
- 和接收数据一样，应用程序在调用系统调用send的时候会从用户态转为内核态
- 发送完数据后，系统调用返回时从内核态转为用户态。
- 网卡发送完数据，CPU响应硬中断。
- 在内核协议栈的传输层中，TCP协议对应的发送函数将用户要发送的数据拷贝到sk_buffer中。
- 从传输层到网络层的时候，拷贝sk_buffer副本。
- 在网络层，如果要发送的数据大于MTU，则会进行分片操作。
