本系列文章1-4，来源于陈莉君老师公众号“Linux内核之旅”

1. 前言

本文首先从宏观上概述了数据包发送的流程，接着分析了协议层注册进内核以及被socket的过程，最后介绍了通过 socket 发送网络数据的过程。

2. 数据包发送宏观视角

从宏观上看，一个数据包从用户程序到达硬件网卡的整个过程如下：

1. 使用系统调用（如 sendto，sendmsg 等）写数据

2. 数据穿过socket 子系统，进入socket 协议族（protocol family）系统

3. 协议族处理：数据穿过协议层，这一过程（在许多情况下）会将数据（data）转换成数据包（packet）

4. 数据穿过路由层，这会涉及路由缓存和 ARP 缓存的更新；如果目的 MAC 不在 ARP 缓存表中，将触发一次 ARP 广播来查找 MAC 地址

5. 穿过协议层，packet 到达设备无关层（device agnostic layer）

6. 使用 XPS（如果启用）或散列函数选择发送队列

7. 调用网卡驱动的发送函数

8. 数据传送到网卡的 qdisc（queue discipline，排队规则）

9. qdisc 会直接发送数据（如果可以），或者将其放到队列，下次触发NET_TX 类型软中断（softirq）的时候再发送

10. 数据从 qdisc 传送给驱动程序

11. 驱动程序创建所需的DMA 映射，以便网卡从 RAM 读取数据

12. 驱动向网卡发送信号，通知数据可以发送了

13. 网卡从 RAM 中获取数据并发送

14. 发送完成后，设备触发一个硬中断（IRQ），表示发送完成

15. 硬中断处理函数被唤醒执行。对许多设备来说，这会触发 NET_RX 类型的软中断，然后 NAPI poll 循环开始收包

16. poll 函数会调用驱动程序的相应函数，解除 DMA 映射，释放数据

3. 协议层注册

协议层分析我们将关注 IP 和 UDP 层，其他协议层可参考这个过程。我们首先来看协议族是如何注册到内核，并被 socket 子系统使用的。

当用户程序像下面这样创建 UDP socket 时会发生什么？

sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)
简单来说，内核会去查找由 UDP 协议栈导出的一组函数（其中包括用于发送和接收网络数据的函数），并赋给 socket 的相应字段。准确理解这个过程需要查看 AF_INET 地址族的代码。

内核初始化的很早阶段就执行了 inet_init 函数，这个函数会注册 AF_INET 协议族 ，以及该协议族内的各协议栈（TCP，UDP，ICMP 和 RAW），并调用初始化函数使协议栈准备好处理网络数据。inet_init 定义在net/ipv4/af_inet.c 。

AF_INET 协议族导出一个包含 create 方法的 struct net_proto_family 类型实例。当从用户程序创建 socket 时，内核会调用此方法：

static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
.family = PF_INET,
.create = inet_create,
.owner = THIS_MODULE,
};
inet_create 根据传递的 socket 参数，在已注册的协议中查找对应的协议：

/* Look for the requested type/protocol pair. */
lookup_protocol:
err = -ESOCKTNOSUPPORT;
rcu_read_lock();
list_for_each_entry_rcu(answer,