Linux的协议栈是什么呢？

　　Linux网络协议栈基于分层的设计思想，总共分为四层，从下往上依次是：物理层，链路层，网络层，应用层。 　　Linux网络协议栈其实是源于BSD的协议栈，它向上以及向下的接口以及协议栈本身的软件分层组织的非常好。 Linux的协议栈基于分层的设计思想，总共分为四层，从下往上依次是：物理层，链路层，网络层，应用层。 　　物理层主要提供各种连接的物理设备，如各种网卡，串口卡等; 　　链路层主要指的是提供对物理层进行访问的各种接口卡的驱动程序，如网卡驱动等; 　　网路层的作用是负责将网络数据包传输到正确的位置，最重要的网络层协议当然就是IP协议了，其实网络层还有其他的协议如ICMP，ARP，RARP等，只不过不像IP那样被多数人所熟悉; 　　传输层的作用主要是提供端到端，说白一点就是提供应用程序之间的通信，传输层最着名的协议非TCP与UDP协议末属了; 　　应用层，顾名思义，当然就是由应用程序提供的，用来对传输数据进行语义解释的“人机界面”层了，比如HTTP，SMTP，FTP等等，其实应用层还不是人们最终所看到的那一层，最上面的一层应该是“解释层”，负责将数据以各种不同的表项形式最终呈献到人们眼前。 　　Linux网络核心架构Linux的网络架构从上往下可以分为三层，分别是： 用户空间的应用层。 内核空间的网络协议栈层。 物理硬件层。 其中最重要最核心的当然是内核空间的协议栈层了。 　　Linux网络协议栈结构Linux的整个网络协议栈都构建与Linux Kernel中，整个栈也是严格按照分层的思想来设计的，整个栈共分为五层，分别是 ： 　　

1，系统调用接口层，实质是一个面向用户空间应用程序的接口调用库，向用户空间应用程序提供使用网络服务的接口。 　　

2，协议无关的接口层，就是SOCKET层，这一层的目的是屏蔽底层的不同协议(更准确的来说主要是TCP与UDP，当然还包括RAW IP， SCTP等)，以便与系统调用层之间的接口可以简单，统一。简单的说，不管我们应用层使用什么协议，都要通过系统调用接口来建立一个SOCKET，这个SOCKET其实是一个巨大的sock结构，它和下面一层的网络协议层联系起来，屏蔽了不同的网络协议的不同，只吧数据部分呈献给应用层(通过系统调用接口来呈献)。 　　

3，网络协议实现层，毫无疑问，这是整个协议栈的核心。这一层主要实现各种网络协议，最主要的当然是IP，ICMP，ARP，RARP，TCP，UDP等。这一层包含了很多设计的技巧与算法，相当的不错。 　　

4，与具体设备无关的驱动接口层，这一层的目的主要是为了统一不同的接口卡的驱动程序与网络协议层的接口，它将各种不同的驱动程序的功能统一抽象为几个特殊的动作，如open，close，init等，这一层可以屏蔽底层不同的驱动程序。 　　

5，驱动程序层，这一层的目的就很简单了，就是建立与硬件的接口层。 可以看到，Linux网络协议栈是一个严格分层的结构，其中的每一层都执行相对独立的功能，结构非常清晰。 其中的两个“无关”层的设计非常棒，通过这两个“无关”层，其协议栈可以非常轻松的进行扩展。在我们自己的软件设计中，可以吸收这种设计方法。

为什么内核态转发性能低？

现在很多人都在诟病Linux内核协议栈收包效率低，不管他们是真的懂还是一点都不懂只是听别人说的，反正就是在一味地怼Linux内核协议栈，他们的武器貌似只有DPDK。

但是，即便Linux内核协议栈收包效率真的很低，这是为什么？有没有办法去尝试着优化？而不是动不动就DPDK。

我们从最开始说起。

Linux内核作为一个通用操作系统内核，脱胎于UNIX那一套现代操作系统理论。

但一开始不知道怎么回事将网络协议栈的实现塞进了内核态，从此它就一直在内核态了。既然网络协议栈的处理在内核态进行，那么网络数据包必然是在内核态被处理的。无论如何，数据包要先进入内核态，这就涉及到了进入内核态的方式：

外部可以从两个方向进入内核-从用户态系统调用进入或者从硬件中断进入。

也就是说，系统在任意时刻，必然处在两个上下文中的一个：

进程上下文

中断上下文 (在非中断线程化的系统，也就是任意进程上下文)

收包逻辑的协议栈处理显然是自网卡而上的，它显然是在中断上下文中，而数据包往用户进程的数据接收处理，显然是在应用程序的进程上下文中， 数据包通过socket在两个上下文中被转接。

在socket层的数据包转接处，必然存在着一个队列缓存，这是一个典型的 生产者-消费者 模型，中断上下文的终点作为生产者将数据包入队，而进程上下文作为消费者从队列消费数据包

核心态用户态切换到内核态的方式有哪些？

（1） 系统调用这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

（2） 异常当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

（3） 外围设备的中断当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。

具体的切换步骤：

① 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

②使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一条指令。

③ 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，开始执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。