TCP/IP协议栈在Linux内核中的运行时序分析
1、调研要求
1.在深入理解Linux内核任务调度（中断处理、softirg、tasklet、wq、内核线程等）机制的基础上，分析梳理send和recv过程中TCP/IP协议栈相关的运行任务实体及相互协作的时序分析。
2.编译、部署、运行、测评、原理、源代码分析、跟踪调试等。
3.应该包括时序图。
2、网络分层模型
OSI模型，即开放式通信系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model），是国际标准化组织（ISO）提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。它提供给开发者一个必须的、通用的概念以便开发完善，可以用来解释连接不同系统的框架。
TCP/IP协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。与OSI模型不同，TCP/IP模型并不仅是理论上的网络标准，而是现有的事实模型，它在一定程度上参考了OSI模型，并根据当时的现存网络发展而来。
OSI模型及TCP/IP协议如下图所示：
物理层：规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。在这一层，数据的单位称为比特（bit）。该层的典型规范代表包括：EIA/TIARS-232、EIA/TIARS-449、V.35等。
数据链路层：在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在这一层，数据的单位称为帧（frame）。该层的典型规范代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。
网络层：负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互联等功能。在这一层，数据的单位称为数据包（packet）。该层的典型规范代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF、ARP、RARP、ICMP、IGMP等。
传输层：是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。在这一层，数据的单位称为数据段（segment）。该层的典型规范代表包括：TCP、UDP、SPX等。
会话层：管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。
表示层：对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。
应用层：为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。该层的典型规范代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。
在实际使用过程中，用得最多的是TCP/IP协议，以下是OSI协议与TCP/IP协议的对比。
各层的功能如下：
1、应用层的功能为对客户发出的一个请求，服务器作出响应并提供相应的服务。
2、传输层的功能为通信双方的主机提供端到端的服务，传输层对信息流具有调节作用，提供可靠性传输，确保数据到达无误。
3、网络层功能为进行网络互连，根据网间报文IP地址，从一个网络通过路由器传到另一网络。
4、网络接口层负责接收IP数据报，并负责把这些数据报发送到指定网络上。
3.Linux中的网络模型以及内核协议
3.1 Linux操作系统介绍
Linux操作系统总体上由Linux内核和GNU系统构成，具体来讲由4个主要部分构成，即Linux内核、Shell、文件系统和应用程序。内核、Shell和文件系统构成了操作系统的基本结构，使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。
内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，如虚拟内存、多任务、共享库、需求加载、可执行程序和TCP/IP网络功能
3.2 Linux中的网络模型
Linux网络子系统提供了对各种网络标准的存取和各种硬件的支持，其可以分为插口层，协议层和接口层，整体结构如图所示：
BSD Socket层：这一部分处理BSD socket相关操作，每个socket在内核中以struct socket结构体现，这一部分的文件主要有：/net/socket.c、/net/protocol.c等。
INET socket层：BSD socket是个可以用于各种网络协议的接口，而当用于tcp/ip，即建立了AF_INET形式的socket时，还需要保留些额外的参数，于是就有了struct sock结构。文件主要有：/net/ipv4/protocol.c、/net/ipv4/af_inet.c、/net/core/sock.c等。
TCP/UDP层：处理传输层的操作，传输层用struct inet_protocol和struct proto两个结构表示，文件主要有：/net/ipv4/udp.c、/net/ipv4/datagram.c、/net/ipv4/tcp.c等。
IP层：处理网络层的操作，网络层用struct packet_type结构表示，文件主要有：/net/ipv4/ip_forward.c、ip_fragment.c、ip_input.c等。
数据链路层和驱动程序：每个网络设备以struct net_device表示，通用的处理在dev.c中，驱动程序都在/driver/net目录下。
3.3 Linux内核协议
Linux的协议栈其实是源于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，传输层最著名的协议非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。
核心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。
在<linux/socket.h>中查到所支持的网络协议：
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. 驱动程序层建立与硬件的接口层。
网络栈底部是负责管理物理网络设备的设备驱动程序。例如，包串口使用的 SLIP 驱动程序以及以太网设备使用的以太网驱动程序都是这一层的设备。
在进行初始化时，设备驱动程序会分配一个 net_device 结构，然后使用必须的程序对其进行初始化。这些程序中有一个是 dev->hard_start_xmit ，它定义了上层应该如何对 sk_buff 排队进行传输。这个程序的参数为 sk_buff 。这个函数的操作取决于底层硬件，但是通常 sk_buff 所描述的报文都会被移动到硬件环或队列中。就像是设备无关层中所描述的一样，对于 NAPI 兼容的网络驱动程序来说，帧的接收使用了 netif_rx 和 netif_receive_skb 接口。NAPI 驱动程序会对底层硬件的能力进行一些限制。