网卡简介
网卡是一块通信硬件。属于数据链路层。用户可以通过电缆或无线相互连接。每一个网卡都有一个独一无二的MAC地址(48位)，它被写在卡上的一块ROM中。IEEE负责为网卡销售商分配唯一的MAC地址。
可以在终端运行sudo lshw -C network来查看网卡型号
可以在/lib/modules/$(uname -r)/kernel/drivers/net路径下找到网卡驱动
网卡以前是作为扩展卡插到计算机总线上的，但是由于其价格低廉而且以太网标准普遍存在，大部分新的计算机都在主板上集成了网络接口。除非需要多接口，否则不再需要一块独立的网卡。甚至更新的主板可能含有内置的双网络（以太网）接口。
网卡的四种传输技术（和其他IO设备差不多）
- 轮询，即微处理器在程序控制下检查外设的状态
- 过程化I/O，即微处理器通过将地址送到系统地址总线上来通知制定的周边设备
- 中断驱动I/O，即当外设准备好传送数据时通知微处理器
- DMA，需要网卡上拥有一个独立的处理器
网卡接收数据
简单的内核源码分析
在电脑启动，加载内核时，网卡驱动程序就会申请一块共享内存作为缓冲区，称为Ring Buffer
- 由驱动程序使用内核的fifo数据结构创建的环形缓冲区，其空间通过内核分配，因此位于内核的数据段中
- Ring Buffer 不直接存储 Packet。初始状态下，Ring Buffer 队列每个槽中存放的 Packet Descriptor 指向 sk_buff ，状态均为 ready
当网卡接收到数据时，网卡做了两件事
- 通过DMA将数据保存到 sk_buff 中
- 通过硬中断通知内核，可以来处理数据了
CPU收到中断后，也做了两件事
- 系统切换为内核态，处理 Interrupt Handler，从RingBuffer 拿出一个 Packet， 并处理协议栈，填充 Socket 并交给用户进程
- CPU 切换为用户态，用户进程处理数据内容
一个简单的示意图
更为详细的说明，可以参考这位大佬的文章
性能瓶颈
一、用户进程阻塞
网卡接收到数据的延迟，取决于传输时延+传播时延，一般都是毫秒级别的，但应用程序处理数据的速度是纳秒级别的。
也就是说，CPU在内核态可能要花上500ms等待并移交数据，在用户态可能只要0.5ms就能处理完这些数据，在499.5ms这段时间内，用户进程无事可做，只能进入阻塞态。
二、频繁处理中断
如果频繁的收到数据包，NIC 可能频繁发出中断请求，这时CPU必须切换到内核态。在极端情况下，如果内核处理前一个协议栈，填充 Socket 还没结束，就要去处理下一个中断，会导致用户进程的饥饿。（即便是多核CPU也会面临这种情况）
处理瓶颈
一、解决频繁中断
解决思路：
最开始，内核每处理好一个数据，就向上层应用提交，CPU就要从内核切换到用户，如果处理10个数据，就要上下文切换20次。
但如果内核一次性处理完这10个数据，再一并提交，只需2次切换，节省开销。
在 NIC 上，解决频繁 IRQ 的技术叫做 New API(NAPI)
- napi_schedule()，专门快速响应 IRQ，只记录必要信息，并在合适的时机发出软中断 softirq
- netrxaction()，在另一个进程中执行，专门响应 napi_schedule 发出的软中断，批量的处理 RingBuffer 中的数据
二、解决用户进程频繁切换
这一条优化一般用于服务器端，需要连接多个信道，如果每个连接都由一个进程/线程管理，那么切换进程/线程的开销就会比较大。并且进程/线程可能会被阻塞，对其唤醒也需要开销。
解决思路：
- 只设置一个进程/线程统一管理全部连接
- 改为非阻塞
即创建一个监视进程/线程，内部采用IO多路复用管理所有连接
（1）select
每次 socket 状态变化，监视进程必须遍历一遍 socket 数组O(n)，才知道哪些 socket 就绪了。
（2）epoll
底层采用红黑树 + 双向链表，可以实现O(1)查询