可以毫不夸張的說現如今的互聯網是基于TCP/IP構建起來的網絡。弄懂協議棧的原理，無論對調試網絡IO性能還是解決網絡問題都是有很大幫助的。本片文章就帶領大家來看看內核是如何控制網絡數據流的。

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TCP特點

我們都非常清楚TCP協議設計的初衷，就是保證數據傳輸的快速，有序，無誤。所以特點總結如下：

1. 面向連接，可以用五元組來表示一條連接(遠程ip，遠程端口，本地ip，本地端口，傳輸層協議)。
2. 數據是全雙工的
3. 數據是有序的，也就是接受的數據一定是按照發送時的順序的。
4. 流量控制，發送方可以通過接收方滑動窗口大小來動態調整發送數據的大小。
5. 擁塞控制，發送方通過ACK的狀態結合擁塞算法綜合計算給出窗口大小。

了解完TCP特點字后，我們就來真正的看看數據發送到底是怎樣的過程?

數據發送

我們首先來看張圖：

上圖展示的是數據流動的在硬件中的過程，下圖展示的是數據在協議棧的過程：

整個過程分為三個大區域：用戶區，內核區，設備。這里所說的設備就是網卡。流程如下：

1. 用戶應用程序調用write系統調用
2. 確認文件描述符
3. 拷貝數據到socket buffer中
4. 創建tcp片段，計算checksum
5. 添加IP頭，執行ip路由，計算checksum
6. 添加以太網協議頭部，執行ARP
7. 告訴網卡芯片要發送數據了
8. 網卡從內存中獲取數據發送，發送完成中斷告訴CPU

數據接收

直接看硬件數據流圖：

首先網卡把接收到的數據包寫入到它的內存之中。然后對其進行校驗，通過后發送到主機的主存之中。主存中的buffer是驅動分配好的，驅動會把分配好的buffer描述告訴網卡，如果沒有足夠的buffer接受網卡的數據包，網卡會將數據包丟棄。一旦數據包拷貝到主存完成，網卡會通過中斷告知主機OS。

之后驅動會檢查它是否能處理這個新的包。如果能處理，驅動會把數據包包裝成OS認識的結構(linux sk_buffer)并推送到上層。 鏈路層接收到幀后檢查通過的話會按照協議解幀并推送至IP層。

IP層會在解包之后根據包中包含的IP信息決定推送至上層還是轉發到其他IP。如果判斷需要推送至上層，則會解掉IP包頭并推送至TCP層。

TCP在解報之后會根據其四元組找到對應的TCB，之后通過TCP協議處理這個報文。在接收到報文后，會把報文加到接受報文，之后根據TCP的狀態發送一個ACK給對端。

當然上述過程會受到NAT等等Netfilter的作用，這里不談了，也沒深研究過。當然為了性能，大牛們方方面面也做了很多努力，比如大到RDMA、DPDK等大的軟硬件技術，小到zero-copy、checksum offload等;

總結

現代的軟硬件TCP/IP協議棧單鏈接發送速率到1~2GiB/s完全沒有任何問題(經過實測)。如果你想探索更優秀的性能，你可以嘗試RMDA等技術，他們通過繞過內核以減少拷貝等方式優化了性能，當然可能依賴硬件。