2. Linux 网络协议栈基础回顾：内核网络栈分层架构

在深入 TCP/IP 卸载与硬件加速之前，必须重新审视 Linux 内核网络协议栈的经典分层模型。理解每一层的职责、数据流走向以及层间交互的代价，是后续配置硬件卸载（如 TSO、GSO、RSS、XDP）的理论基础。本章从 Socket 层向下至驱动层，逐层拆解其核心功能与数据结构。

2.1 分层全景：从系统调用到网线

Linux 内核网络栈遵循 BSD 套接字模型，自上而下分为五个主要层次。每一层对上层提供抽象，对下层屏蔽细节，数据以 struct sk_buff（套接字缓冲区）为载体在层间传递。

2.2 Socket 层：用户态与内核态的桥梁

Socket 层是用户态应用程序与内核协议栈之间的通用接口。它通过 VFS（虚拟文件系统）将网络套接字抽象为文件描述符，使得 read() / write() 系统调用可以作用于网络 I/O。

• 核心数据结构： struct socket 和 struct sock。前者是 VFS 层抽象，后者是传输层私有状态。
• 关键操作： sys_socket() 创建套接字，sys_connect() / sys_bind() / sys_listen() 建立连接，sys_sendmsg() / sys_recvmsg() 传输数据。
• 协议族注册： 通过 net_families[] 数组注册 AF_INET、AF_INET6、AF_PACKET 等协议族。

2.3 传输层：TCP 与 UDP 的分工

传输层为上层应用提供端到端通信能力。TCP 和 UDP 在协议栈中的处理路径差异显著，直接影响卸载策略的选择。

TCP 处理路径中，tcp_v4_rcv() 负责查找已建立的 socket，tcp_v4_do_rcv() 处理数据段，tcp_rcv_established() 执行快速路径或慢速路径。UDP 则通过 udp_rcv() 直接查找 socket 并交付数据。

2.4 网络层：路由与 IP 处理

网络层负责 IP 数据报的收发、路由查找、分片与重组。核心入口函数为 ip_rcv()（接收）和 ip_output()（发送）。

• 路由子系统： 通过 FIB（Forwarding Information Base）和路由缓存（早期内核）或 LPM trie（当前内核）进行最长前缀匹配。
• 分片与重组： ip_fragment() 在 MTU 超限时执行分片；ip_defrag() 在接收端重组分片包。
• 邻居子系统： 负责 L3 到 L2 地址解析（ARP for IPv4，NDISC for IPv6），维护邻居缓存 struct neighbour。

2.5 Netfilter 框架：钩子与包过滤

Netfilter 是 Linux 内核内置的包处理框架，允许内核模块在协议栈的关键路径上注册钩子函数。iptables / nftables 均基于此框架实现。

Netfilter 在 IPv4 路径上定义了五个标准钩子点：

1. NF_IP_PRE_ROUTING： 数据包进入协议栈后、路由决策之前。
2. NF_IP_LOCAL_IN： 路由决策后，发往本机的数据包。
3. NF_IP_FORWARD： 路由决策后，需要转发的数据包。
4. NF_IP_LOCAL_OUT： 本机发出的数据包，在路由决策之前。
5. NF_IP_POST_ROUTING： 本机发出的数据包，在路由决策之后、离开协议栈之前。

2.6 驱动层：NAPI 与 DMA 引擎

驱动层是协议栈与物理网卡之间的最后一道关卡。现代网卡驱动普遍采用 NAPI（New API）机制，结合中断与轮询，在高速收包场景下减少中断风暴。

驱动层通过 net_device_ops 结构体向内核注册 ndo_start_xmit()（发送）和 NAPI 轮询函数 poll()（接收）。数据包在驱动层以 struct sk_buff 形式传递给上层协议栈。

2.7 层间数据传递：sk_buff 的生命周期

struct sk_buff 是贯穿整个协议栈的核心数据结构。它包含头部指针（head、data、tail、end）、协议信息（protocol）、路由信息（dst）以及各层私有控制块（cb[]）。

// sk_buff 关键字段示意（简化）
struct sk_buff {
    /* 缓冲区指针 */
    unsigned char   *head;      // 分配内存起始
    unsigned char   *data;      // 当前协议层数据起始
    unsigned char   *tail;      // 当前协议层数据结束
    unsigned char   *end;       // 分配内存结束

    /* 协议信息 */
    __be16          protocol;   // L3 协议类型 (ETH_P_IP / ETH_P_IPV6)

    /* 网络层与传输层信息 */
    struct net_device   *dev;   // 关联网络设备
    struct dst_entry    *dst;   // 路由缓存条目

    /* 各层私有控制块 */
    char            cb[48] __aligned(8);  // 传输层/网络层私有数据

    /* 校验和与卸载标志 */
    __u32           csum;       // 校验和值
    __u8            ip_summed;  // 校验和类型 (CHECKSUM_NONE / CHECKSUM_UNNECESSARY / CHECKSUM_COMPLETE / CHECKSUM_PARTIAL)

    /* 分段卸载标志 */
    __u16           gso_size;   // GSO 分段大小
    __u16           gso_segs;   // GSO 分段数量
    __u8            gso_type;   // GSO 类型 (SKB_GSO_TCPV4 / SKB_GSO_UDP / ...)
};

数据包在层间传递时，通过 skb_push()（添加头部）、skb_put()（扩展数据）、skb_pull()（移除头部）调整 data 和 tail 指针，避免数据拷贝。这种零拷贝设计是内核网络栈高性能的关键之一。