33 Socket通信
无论是用socket操作TCP，还是UDP，首先都要调用socket函数，socket函数用于创建一个socket的文件描述符，唯一标识一个socket；把它叫作文件描述符，是因为在内核中会创建类似文件系统的数据结构，并且后续的操作都有用到它：
int socket(int domain, int type, int protocol);
三个参数的含义：
domain：表示使用什么IP层协议。AF_INET表示IPv4，AF_INET6表示IPv6。
type：表示socket类型。SOCK_STREAM是TCP面向流的，SOCK_DGRAM是UDP面向数据报的，SOCK_RAW可以直接操作IP层，或者非TCP和UDP的协议。例如ICMP。
protocol表示的协议，包括IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP。
TCP编程模式：
其总体状态：用户态加内核态如图
UDP编程模式：
34 Socket内核数据结构
首先，Socket系统调用会有三级参数family、type、protocal，通过这三级参数，分别在net_proto_family表
中找到type链表，在type链表中找到protocal对应的操作。
这个操作分为两层，对于TCP协议来讲，第一层是inet_stream_ops层，第二层是tcp_prot层。
于是，接下来的系统调用规律就都一样了：
bind第一层调用inet_stream_ops的inet_bind函数，第二层调用tcp_prot的inet_csk_get_port函数；
listen第一层调用inet_stream_ops的inet_listen函数，第二层调用tcp_prot的inet_csk_get_port函数；
accept第一层调用inet_stream_ops的inet_accept函数，第二层调用tcp_prot的inet_csk_accept函数；
connect第一层调用inet_stream_ops的inet_stream_connect函数，第二层调用tcp_prot的tcp_v4_connect函数。
在内核中，为每个Socket维护两个队列：
一个是已经建立了连接的队列，这时候连接三次握手已经完毕，处于established状态；
一个是还没有完全建立连接的队列，这个时候三次握手还没完成，处于syn_rcvd的状态。
三次连接体现在connect函数中：
35 发送网络包
35.1 （上）ip层以上是如何发送数据的
socket对于用户来讲，是一个文件一样的存在，拥有一个文件描述符。
因而对于网络包的发送，可以使用对于socket文件的写入系统调用，也就是write系统调用。
根据tcp_prot的定义，tcp的write调用的是tcp_sendmsg。
为了减少内存拷贝的代价，有的网络设备支持分散聚合（Scatter/Gather）I/O：
IP层没必要通过内存拷贝进行聚合，直接让散的数据零散的放在原处，在设备层进行聚合。
如果使用这种模式，网络包的数据就不会放在连续的数据区域，而是放在struct skb_shared_info结构里面指向的离散数据，skb_shared_info的成员变量skb_frag_t frags[MAX_SKB_FRAGS]，会指向一个数组的页面，就不能保证连续了：
- 总结
到ip层，这个过程分成几个层次：
VFS层：write系统调用找到struct file，根据里面的file_operations的定义，调用sock_write_iter函数。
sock_write_iter函数调用sock_sendmsg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_sendmsg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_sendmsg函数。
TCP层：tcp_sendmsg函数会调用tcp_write_xmit函数，tcp_write_xmit函数会调用tcp_transmit_skb，在这里实现了TCP层面向连接的逻辑。
IP层：扩展struct sock，得到struct inet_connection_sock，根据里面icsk_af_ops的定义，调用ip_queue_xmit函数。
35.2 （下）总过程
总过程：
VFS层：write系统调用找到struct file，根据里面的file_operations的定义，调用sock_write_iter函数。
sock_write_iter函数调用sock_sendmsg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_sendmsg
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_sendmsg函数。
TCP层：tcp_sendmsg函数会调用tcp_write_xmit函数，tcp_write_xmit函数会调用tcp_transmit_skb，在这
里实现了TCP层面向连接的逻辑。
IP层：扩展struct sock，得到struct inet_connection_sock，根据里面icsk_af_ops的定义，调用
ip_queue_xmit函数。
IP层：ip_route_output_ports函数里面会调用fib_lookup查找路由表。FIB全称是Forwarding Information
Base，转发信息表，也就是路由表。
还要填写IP层的头、通过iptables规则。
MAC层：IP层调用ip_finish_output进行MAC层。
MAC层需要ARP获得MAC地址，因而要调用___neigh_lookup_noref查找属于同一个网段的邻居，他会调用
neigh_probe发送ARP。
有了MAC地址，就可以调用dev_queue_xmit发送二层网络包了，它会调用__dev_xmit_skb会将请求放入
队列。
设备层：网络包的发送回触发一个软中断NET_TX_SOFTIRQ来处理队列中的数据。这个软中断的处理函数
是net_tx_action。
在软中断处理函数中，会将网络包从队列上拿下来，调用网络设备的传输函数ixgb_xmit_frame，将网络
包发的设备的队列上去。
36 接收网络包
网卡作为一个硬件，接收到网络包，应该怎么通知操作系统，这个网络包到达了呢？
可以触发一个中断。
但是这里有个问题，就是网络包的到来，往往是很难预期的。网络吞吐量比较大的时候，网络包的到达会十分频繁。这个时候，如果非常频繁地去触发中断，是个很大的灾难。
比如说，CPU正在做某个事情，一些网络包来了，触发了中断，CPU停下手里的事情，去处理这些网络包，处理完毕按照中断处理的逻辑，应该回去继续处理其他事情。
这个时候，另一些网络包又来了，又触发了中断，CPU手里的事情又要停下来，去处理网络包。
能不能要来的一起来，把网络包好好处理一把，然后再回去集中处理其他事情呢？
“网络包能不能一起来”，这个没法控制，但是可以有一种集中时间段的机制：
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，这种处理方式称为NAPI。
- 内核接收网络包的过程
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；
NET_RX_SOFTIRQ软中断处理函数net_rx_action，net_rx_action会调用napi_poll，进而调用
ixgb_clean_rx_irq，从Ring Buffer中读取数据到内核struct sk_buff；
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，这里面有三个队列需要处理：
如果当前的Socket不是正在被用户态进程读取，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_v4_do_rcv中：
如果是处于TCP_ESTABLISHED状态，调用tcp_rcv_established；
其他的状态，调用tcp_rcv_state_process；
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；
如果序列号接不上，则暂时放入out_of_order_queue队列，等序列号能够接上的时候，再放入sk_receive_queue队列。
- 用户态读取网络包的过程
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。
TCP层：tcp_recvmsg函数会依次读取receive_queue队列、prequeue队列和backlog队列。
用户态和内核态核心就是通过三个队列来交互数据
