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OSI模型
OSI 模型把網絡互聯的框架分為應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層以及物理層等七層，每個層負責不同的功能。其中，
應用層，負責為應用程序提供統一的接口。
表示層，負責把數據轉換成兼容接收系統的格式。
會話層，負責維護計算機之間的通信連接。
傳輸層，負責為數據加上傳輸表頭，形成數據包。
網絡層，負責數據的路由和轉發。
數據鏈路層，負責MAC尋址、錯誤偵測和改錯。
物理層，負責在物理網絡中傳輸數據幀。
TCP/IP 模型
TCP/IP 模型把網絡互聯的框架分為應用層、傳輸層、網絡層、網絡接口層等四層，其中，
應用層，負責向用戶提供一組應用程序，比如 HTTP、FTP、DNS 等。
傳輸層，負責端到端的通信，比如 TCP、UDP 等。
網絡層，負責網絡包的封裝、尋址和路由，比如 IP、ICMP 等。
網絡接口層，負責網絡包在物理網絡中的傳輸，比如 MAC 尋址、錯誤偵測以及通過網卡傳輸網絡幀等。
OSI 模型 與 TCP/IP 模型 的關系
Linux網絡棧
有了 TCP/IP 模型后，在進行網絡傳輸時，數據包就會按照協議棧，對上一層發來的數據進行逐層處理；然后封裝上該層的協議頭，再發送給下一層。
當然，網絡包在每一層的處理邏輯，都取決於各層采用的網絡協議。比如在應用層，一個提供 REST API 的應用，可以使用 HTTP 協議，把它需要傳輸的 JSON 數據封裝到 HTTP 協議中，然后向下傳遞給 TCP 層。
而封裝做的事情就很簡單了，只是在原來的負載前后，增加固定格式的元數據，原始的負載數據並不會被修改。比如，以通過 TCP 協議通信的網絡包為例，通過下面這張圖，可以看到，應用程序數據在每個層的封裝格式。
其中：
- 傳輸層在應用程序數據前面增加了 TCP 頭；
- 網絡層在 TCP 數據包前增加了 IP 頭；
- 而網絡接口層，又在 IP 數據包前后分別增加了幀頭和幀尾。
這些新增的頭部和尾部，都按照特定的協議格式填充，這些新增的頭部和尾部，增加了網絡包的大小，但物理鏈路中並不能傳輸任意大小的數據包。網絡接口配置的最大傳輸單元（MTU），就規定了最大的 IP 包大小。在最常用的以太網中，MTU 默認值是 1500（這也是 Linux 的默認值）。
一旦網絡包超過 MTU 的大小，就會在網絡層分片，以保證分片后的 IP 包不大於MTU 值。顯然，MTU 越大，需要的分包也就越少，網絡吞吐能力就越好。
理解了 TCP/IP 網絡模型和網絡包的封裝原理后，很容易能想到，Linux 內核中的網絡棧，其實也類似於 TCP/IP 的四層結構。如下圖所示，就是 Linux 通用 IP 網絡棧的示意圖：
從上到下來看這個網絡棧，可以發現，
- 最上層的應用程序，需要通過系統調用，來跟套接字接口進行交互；
- 套接字的下面，就是前面提到的傳輸層、網絡層和網絡接口層；
- 最底層，則是網卡驅動程序以及物理網卡設備。
網卡是發送和接收網絡包的基本設備。在系統啟動過程中，網卡通過內核中的網卡驅動程序注冊到系統中。而在網絡收發過程中，內核通過中斷跟網卡進行交互。
再結合前面提到的 Linux 網絡棧，可以看出，網絡包的處理非常復雜。所以，網卡硬中斷只處理最核心的網卡數據讀取或發送，而協議棧中的大部分邏輯，都會放到軟中斷中處理。
Linux網絡收發流程
了解了 Linux 網絡棧后，再來看看， Linux 到底是怎么收發網絡包的。
注意，以下內容都以物理網卡為例。事實上，Linux 還支持眾多的虛擬網絡設備，而它們的網絡收發流程會有一些差別。
網絡包的接收流程
先來看網絡包的接收流程。
當一個網絡幀到達網卡后，網卡會通過 DMA 方式，把這個網絡包放到收包隊列中；然后通過硬中斷，告訴中斷處理程序已經收到了網絡包。
接着，網卡中斷處理程序會為網絡幀分配內核數據結構（sk_buff），並將其拷貝到 sk_buff 緩沖區中；然后再通過軟中斷，通知內核收到了新的網絡幀。
接下來，內核協議棧從緩沖區中取出網絡幀，並通過網絡協議棧，從下到上逐層處理這個網絡幀。比如，
- 在鏈路層檢查報文的合法性，找出上層協議的類型（比如 IPv4 還是 IPv6），再去掉幀頭、幀尾，然后交給網絡層。
- 網絡層取出 IP 頭，判斷網絡包下一步的走向，比如是交給上層處理還是轉發。當網絡層確認這個包是要發送到本機后，就會取出上層協議的類型（比如 TCP 還是 UDP），去掉 IP 頭，再交給傳輸層處理。
- 傳輸層取出 TCP 頭或者 UDP 頭后，根據 <源 IP、源端口、目的 IP、目的端口> 四元組作為標識，找出對應的 Socket，並把數據拷貝到Socket 的接收緩存中。
最后，應用程序就可以使用 Socket 接口，讀取到新接收到的數據了。
為了更清晰表示這個流程，參考下圖，這張圖的左半部分表示接收流程，而圖中的粉色箭頭則表示網絡包的處理路徑。
網絡包的發送流程
了解網絡包的接收流程后，就很容易理解網絡包的發送流程。網絡包的發送流程就是上圖的右半部分，很容易發現，網絡包的發送方向，正好跟接收方向相反。
- 首先，應用程序調用 Socket API（比如 sendmsg）發送網絡包。
- 由於這是一個系統調用，所以會陷入到內核態的套接字層中。套接字層會把數據包放到 Socket 發送緩沖區中。
- 接下來，網絡協議棧從 Socket 發送緩沖區中，取出數據包；再按照 TCP/IP 棧，從上到下逐層處理。比如，傳輸層和網絡層，分別為其增加TCP 頭和 IP 頭，執行路由查找確認下一跳的 IP，並按照 MTU 大小進行分片。
- 分片后的網絡包，再送到網絡接口層，進行物理地址尋址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加幀頭和幀尾，放到發包隊列中。這一切完成后，會有軟中斷通知驅動程序：發包隊列中有新的網絡幀需要發送。
- 最后，驅動程序通過 DMA ，從發包隊列中讀出網絡幀，並通過物理網卡把它發送出去。
Reference
https://time.geekbang.org/column/article/80898 （強烈推薦讀者購買此專欄，都是干貨價值一個億）