前言：在Linux网络编程中，网络包接收指的是主机从网络上接收到一个数据包。它可以是来自其他计算机或设备发送的数据包，也可以是回环地址（localhost）上本地发送的数据包。
当一个网络包被接收时， 它经过了多个层次的处理：
首先，在物理层，网卡会检测到数据包，并将其传递给操作系统内核。
然后，在网络协议栈中，内核会对数据包进行解析和处理。它可能会检查目标IP地址、端口号等信息，并根据规则进行路由、过滤或转发操作。
最终，当数据包成功被接收并处理后，应用程序可以通过读取套接字（socket）来获取其中的数据内容。通过监听和接收网络包，我们可以实现各种功能，如实时通信、网络监控、报文分析等。
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一、网卡接收 当网络包到达网卡时，网卡会将数据包存储到接收缓冲区中。网卡通常使用DMA（Direct Memory Access）来直接将数据复制到主内存，减少CPU的参与。
网卡本身是有内存的，每个网卡一般都有4K以上的内存，用来发送，接收数据。
数据在从主内存搬到网卡之后，不是立即就能被发送出去的，而是要先在网卡自身的内存中排队，再按照先后顺序发送；同样的，数据从以太网传递到网卡时，网卡也是先把数据存储到自身的内存中，等到收到一帧数据了，再经过中断的方式，告诉主CPU（不是网卡本身的微处理器）把网卡内存的数据读走，而读走后的内存，又被清空，再次被使用，用来接收新的数据，如此循环往复。
而网卡本身的内存，又多是按照256字节为1页的方式，把所有内存分页，之后把这些页组成队列，大致的结构如图：
蓝色部分为发送数据用的页面总和，总共只有6个页面用于发送数据（40h~45h）；剩余的46h~80h都是接收数据用的，而在接收数据内存中，只有红色部分是有数据的，当接收新的数据时，是向红色部分前面的绿色中的256字节写入数据，同时“把当前指针”移动到+256字节的后面（网卡自动完成），而现在要读的数据，是在“边界指针”那里开始的256字节（紫色部分），下一个要读的数据，是在“下一包指针”的位置开始的256字节，当256字节被读出来了，就变成了重新可以使用的内存，即绿色所表示，而接收数据，就是把可用的内存拿来用，即变成了红色，当数据写到了0x80h后，又从0x46h开始写数据，这样循环，如果数据满了，则网卡就不能再接收数据，必须等待数据被读出去了，才能再继续接收。
下面是一些网卡常用的寄存器：
CR(command register)---命令寄存器
TSR(transmit state register)---发送状态寄存器
ISR(interrupt state register)----中断状态寄存器
RSR(receive state register)---接收状态寄存器
RCR(receive configure register)---接收配置寄存器
TCR(transmit configure register)---发送配置寄存器
DCR(data configure register)---数据配置寄存器
IMR(interrupt mask register)---中断屏蔽寄存器
NCR(non-coding region)---包发送期间碰撞次数
FIFO(first in first out)
CNTR0(counter register)--- 帧同步错总计数器
CNTR1---CRC错总计数器
CNTR2---丢包总计数器
PAR0~5(physical address register)---本地MAC地址
MAR0~7(multiple address register)---多播地址匹配
PSTOP(page stop register)---结束页面寄存器
PSTART(page start register)---开始页面寄存器
BNRY(boundary register)----边界页寄存器
CURR(current page register)---当前页面寄存器
CLDA0,1(Current Local DMA Address)---当前本地DMA寄存器
TPSR(Transmit page start register)---传送页面开始寄存器
TBCR0,1(transmit byte counter register)---传送字节计数寄存器
CRDA0,1(current remote DMA address)---当前远程DMA寄存器
RSAR0,1(remote start address register)---远程DMA起始地址寄存器
RBCR0,1(remote byte counter register)---远程字节计数寄存器
BPAGE(BROM page register)---BROM页面寄存器
1.1框架 网络子系统中，在本文中我们关注的是驱动和内核的交互。也就是网卡收到数据包后怎么交给内核，内核收到数据包后怎么交给协议栈处理。
在内核中，网卡设备是被net_device结构体描述的。驱动需要通过net_device向内核注册一组操作网卡硬件的函数，这样内核便可以使用网卡了。而所有的数据包在内核空间都是使用sk_buff结构体来表示，所以将网卡硬件收到的数据转换成内核认可的skb_buff也是驱动的工作。
在这之后，还有两个结构体也发挥了非常重要的作用。一个是为struct softnet_data，另一个是struct napi_struct。为软中断的方式处理数据包提供了支持。
1.2初始化 一切的起源都是上电那一刻，当系统初始化完毕后，我们的系统就应该是可用的了。网络子模块的初始化也是在Linux启动经历两阶段的混沌boost自举后，进入的第一个C函数start_kernel。在这之前是Bootloader和Linux的故事，在这之后，便是Linux的单人秀了。
网络子设备初始化调用链：start_kernel->rest_init->kernel_init->kernel_init_freeable->do_basic_setup->do_initcalls->do_initcalls->net_dev_init。
上面调用关系中的kernel_init是一个内核子线程中调用的：
pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);然后再一个问题就是当进入do_initcalls后我们会发现画风突变：
static void __init do_initcalls(void)我是谁，我来自哪，我要到哪去。
如果do_initcalls还给了我们一丝看下去的希望，点开do_initcall_level可能就真的绝望了。
static void __init do_initcall_level(int level)全局一个fn指针，实现调用全靠猜。反正我不管，我说调用了net_dev_init就是调用了。伟大的google告诉我只要被下面这些宏定义包裹的函数就会被do_one_initcall调用，用了什么黑科技，先不管：
#file：include/linux/init.h在net_dev_init的定义下面，我们可以找到subsys_initcall(net_dev_init);。Ok，网络子系统的初始化入口已找到到。
static int __init net_dev_init(void)在net_dev_init中，初始化了内核收发包队列，开启了对应的软中断NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ。在其中，该函数为每个CPU初始化了一个softnet_data来挂载需要处理设备的napi_struct。这个结构非常重要，软中断的处理就是从这个链表上取napi_struct，然后收包的。这也是内核和驱动的接口之一。
再就是开启的两个软中断，当驱动在硬终端完成必要的上半部工作后，就会拉起对应的软中断。让数据包下半部软中断中处理。
net_dev_init执行完后，我们内核就有了处理数据包的能力，只要驱动能向softnet_data挂载需要收包设备的napi_struct。内核子线程ksoftirqd便会做后续的处理。接下来就是网卡驱动的初始化了。
各种网卡肯定有不同的驱动，各驱动封装各自硬件的差异，给内核提供一个统一的接口。我们这不关心，网卡驱动是怎么把数据发出去的，如何收回来的。而是探究网卡收到数据了，要怎么交给内核，内核如何将要发的数据给网卡。总之，驱动需要给内核提供哪些接口，内核又需要给网卡哪些支持。我们以e1000网卡为例子。看看它和内核的缠绵故事。
e1000网卡是一块PCI设备。所以它首先得要让内核能通过PCI总线探测到，需要向内核注册一个pci_driver结构，PCI设备的使用是另一个话题，这里不会探究，我也不知道：
static struct pci_driver e1000_driver = {其中e1000_probe就是给内核的探测回调函数，算是网卡的初始化函数吧，驱动需要在这里初始化网卡设备。去掉总线相关的代码，错误处理的代码，硬件相关的代码：
static int e1000_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)每一个网络设备都有一个对应的net_devie结构体来描述。其中像设备文件操作一样，保存了一种操作设备的接口函数netdev_ops，对e1000网卡是e1000_netdev_ops。当通过终端输入ifup，ifdowm命令操作网卡时，对应的open，close函数就会被调用。这段代码最重要的还是netif_napi_add的调用，它向内核注册了e1000_clean函数，用来给上面的CPU收包队列调用。
通过初始化，驱动注册了网卡描述net_device, 内核可以通过它操作到网卡设备。通过e1000_clean函数内核软中断也可以收包了。
1.3驱动收包 前面有一个内核软中断来收包，但这个软中断怎么触发呢？硬中断。当有数据到网卡时，会产生一个硬中断。这中断的注册是上面，e1000_netdev_ops中的e1000_up函数调用的。也就是网卡up时会注册这个硬中断处理函数e1000_intr。
/**去掉unlikely的代码，其中通过if (likely(napi_schedule_prep(&adapter->napi)))测试，网卡设备自己的napi是否正在被CPU使用。没有就调用__napi_schedule将自己的napi挂载到CPU的softnet_data上。这样软中断的内核线程就能轮询到这个软中断。
/**这里的softnet_data就是前面net_dev_init函数为每个CPU初始化的。到这里硬件中断就处理完了，但我们依然没有发现任何有关数据包的处理，只知道了有一个napi被挂载。这是因为硬件中断不能显然太长，的确不会去做数据的处理工作。这些都交给软中断的内核线程来处理的。
1.4内核处理 硬中断将一个napi结构体甩给了内核，内核要怎么根据它来接收数据呢？前面说到，内核为每个CPU核心都运行了一个内核线程ksoftirqd。软中断也就是在这线程中处理的。上面的硬件中断函数设置了NET_RX_SOFTIRQ软中断标志，这个字段处理函数还记得在哪注册的么？是的，net_dev_init中。
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);显然，后续处理肯定是由net_rx_action来完成。
static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)上面看到budget -= napi_poll(n, &repoll);他会去调用我们驱动初始化时注册的poll函数，在e1000网卡中就是e1000_clean函数。
/**e1000_clean函数通过调用clean_rx函数指针来处理数据包。
/**这个函数太长，我就保留了e1000_receive_skb函数的调用，它调用了napi_gro_receive，这个函数同样是NAPI提供的函数，我们的skb从这里调用到netif_receive_skb协议栈的入口函数。调用路径是napi_gro_receive->napi_frags_finish->netif_receive_skb_internal->__netif_receive_skb。具体的流程先放放。
毕竟NAPI是内核为了提高网卡收包性能而设计的一套框架。这就可以让我先挖个坑以后在分析NAPI的时候在填上。总之有了NAPI后的收包流程和之前的区别如图：
到这里，网卡驱动到协议栈入口的处理过程就写完了。
1.5接收网络包 硬件网卡接收到网络包之后，通过 DMA 技术，将网络包放入 Ring Buffer。
硬件网卡通过中断通知 CPU 新的网络包的到来。网卡驱动程序会注册中断处理函数 ixgb_intr。
中断处理函数处理完需要暂时屏蔽中断的核心流程之后，通过软中断 NET_RX_SOFTIRQ 触发接下来的处理过程。
调用 netif_receive_skb 进入内核网络协议栈，进行一些关于 VLAN 的二层逻辑处理后，调用 ip_rcv 进入三层 IP 层。在 IP 层，会处理 iptables 规则，然后调用 ip_local_deliver，交给更上层 TCP 层。在 TCP 层调用 tcp_v4_rcv。
NAPI:，就是当一些网络包到来触发了中断，内核处理完这些网络包之后，我们可以先进入主动轮询 poll 网卡的方式，主动去接收到来的网络包。如果一直有，就一直处理，等处理告一段落，就返回干其他的事情。当再有下一批网络包到来的时候，再中断，再轮询 poll。这样就会大大减少中断的数量，提升网络处理的效率。 硬件网卡接收到网络包之后，通过 DMA 技术，将网络包放入 Ring Buffer；
在 IP 层，会处理 iptables 规则，然后调用 ip_local_deliver 交给更上层 TCP 层；
在 TCP 层调用 tcp_v4_rcv，这里面有三个队列需要处理，如果当前的 Socket 不是正在被读；取，则放入 backlog 队列，如果正在被读取，不需要很实时的话，则放入 prequeue 队列，其他情况调用 tcp_v4_do_rcv；
在 tcp_rcv_established 中，调用 tcp_data_queue，如果序列号能够接的上，则放入 sk_receive_queue 队列；
VFS 层：read 系统调用找到 struct file，根据里面的 file_operations 的定义，调用 sock_read_iter 函数。sock_read_iter 函数调用 sock_recvmsg 函数。
Socket 层：从 struct file 里面的 private_data 得到 struct socket，根据里面 ops 的定义，调用 inet_recvmsg 函数。
Sock 层：从 struct socket 里面的 sk 得到 struct sock，根据里面 sk_prot 的定义，调用 tcp_recvmsg 函数。
二、中断处理 一旦网卡接收完成，它会向CPU发送一个中断信号以通知数据包的到达。操作系统内核会相应地触发一个中断处理程序，并暂停当前正在执行的任务。
2.1网卡驱动注册硬中断处理函数 网卡驱动注册中断处理函数igb_msix_ring()。
igb_open() - drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c系统启动时注册软中断处理函数
NET_RX_SOFTIRQ的软中断处理函数为net_rx_action()。
subsys_initcall(net_dev_init) - net/core/dev.c系统启动时注册协议栈处理函数
在网络层，以IPv4为例，注册的协议处理函数为ip_rcv()。在传输层，根据协议注册其处理函数upd_rcv()、tcp_v4_rcv()、icmp_rcv()等。
fs_initcall(inet_init) - net/ipv4/af_inet.c2.2硬中断处理函数 当有数据包到达网卡时，DMA把数据映射到内存，通知CPU硬中断，执行注册的硬中断处理函数igb_msix_ring()，简单处理后，发出软中断NET_RX_SOFTIRQ。
igb_msix_ring() - drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c2.3软中断处理函数 ksoftirqd为软中断处理进程，ksoftirqd收到NET_RX_SOFTIRQ软中断后，执行软中断处理函数net_rx_action()，调用网卡驱动poll()函数收包。最后通过调用注册的ip协议处理函数ip_rcv()将数据包送往协议栈。
run_ksoftirqd() - kernel/softirqd.c协议栈处理函数-L3
在软中断处理的最后，调用的pt_prev->func()函数即为协议栈注册ipv4处理函数ip_rcv()。网络层处理完成之后，根据传输协议执行注册的传输层处理函数tcp_v4_rcv或者udp_rcv()。
ip_rcv() - net/ipv4/ip_input.c协议栈处理函数-L4
这里以udp协议为例说明处理过程，tcp协议处理过程更复杂一些。最后将数据包添加到socket的接收队列。然后进入用户空间应用层面处理。
udp_rcv() - net/ipv4/udp.c最终调用 gro_normal_list将数据发送到网络协议栈 。
三、包分类 中断处理程序开始运行后，它会根据网络包的协议类型（如TCP、UDP等）和目标IP地址进行分类。这样可以确保每个数据包被传送给正确的协议栈。
四、协议栈处理 对于需要进一步处理的数据包，操作系统内核将其传递给相应的网络层、传输层和应用层协议栈。例如，在IPv4上运行TCP/IP时，数据包将经过IPv4模块、TCP模块等依次处理。
4.1图解以IPv4分组为例 4.2处理过程 1） ip_rcv()
skb被送到ip_rcv()函数进行处理。首先ip_rcv函数验证IP分组。比如目的地是否是本机地址，校验和是否正确等等。若正确，则交给netfilter的NF_IP_ROUTING；否则，丢弃
2）ip_rcv_finish()
随后将分组发送到ip_rcv_finish()函数处理。根据skb结构的目的或路由信息发送到不同的处理函数。
ip_rcv_finish()函数的具体处理过程如下：
从 skb->nh （ IP 头，由 netif_receive_skb 初始化）结构得到 IP 地址
struct net_device *dev = skb->dev;而 skb->dst 或许包含了数据分组到达目的地的路由信息，如果没有，则需要查找路由，如果最后结果显示目的地不可达，那么就丢弃该数据包：
if (skb->dst == NULL) {ip_rcv_finish() 函数最后执行 dst_input ，决定数据包的下一步的处理。
本机分组则由ip_local_deliver处理；4.3 ip_forward()转发数据包 处理IP头选项。如果需要，会记录本地IP地址和时间戳；
确认分组可以被转发
将TTL减1，如果TTL为0，则丢弃分组，TTL是 Time To Live的缩写，该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量。TTL是IPv4报头的一个8 bit字段。
根据MTU大小和路由信息，对数据分组进行分片。MTU即最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）用来通知对方所能接受数据服务单元的最大尺寸，说明发送方能够接受的有效载荷大小。
将数据分组送往外出设备。如果因为某种原因分组转发失败，则回应ICMP消息，来回复不能转发的原因。如果对转发的分组进行各种检查无误后。
执行ip_forward_finish()函数，准备发送。然后执行dst_output(skb)将分组发到转发的目的主机或本地主机。dst_output(skb) 函数要执行虚函数 output （单播的话为 ip_output ，多播为 ip_mc_output ）。
最后， 调用ip_finish_output() 进入邻居子系统。邻居子系统：在数据链接层，必须要获取发送方和接收方的MAC地址，这样数据才能正确到达接收方。邻居子系统的作用就是把IP地址转换成对应的MAC地址。如果目的主机不是和发送发位于同一局域网时，解析的MAC地址就是下一跳网关地址
4.4ip_local_deliver本地处理 ip_local_deliver中对ip分片进行重组 ，经过LOCAL_IN钩子点，然后调用ip_local_deliver_finish；
/*最后调用ip_local_deliver_finish()函数：ip_local_deliver_finish函数处理原始套接字的数据接收，并调用上层协议的包接收函数，将数据包传递到传输层；
4.5传输层处理 TCP处理过程如图：
发送分组或者响应分组有ip_queue_xmit()函数出口出去：
发送时，ip_queue_xmit()函数检查socket结构体中是否有路由信息，如果没有则执行ip_route_flow()查找，并存储到skb数据结构中。如果找不到，则丢弃。
五、应用程序处理 协议处理程序处理完成后,会将数据包存储到应用层缓冲区中,等待应用程序处理。应用程序可以从应用层缓冲区中读取数据包,并进行相应的处理。
六、发送响应数据 当应用程序处理完数据包后，会将响应数据返回给协议栈。协议栈会将响应数据封装成数据包，并通过网卡发送出去。
