从网卡到应用程序，数据包会经过一系列组件，其中驱动做了什么？内核做了什么？为了优化，我们又能做些什么？整个过程中涉及到诸多细微可调的软硬件参数，并且相互影响，不存在一劳永逸的“银弹”。本文中又拍云系统开发高级工程师杨鹏将结合自己的的实践经验，介绍在深入理解底层机制的基础上如何做出“场景化”的最优配置。
文章根据杨鹏在又拍云 Open Talk 技术沙龙北京站主题演讲《性能优化：更快地接收数据》整理而成，现场视频及 PPT 可点击阅读原文查看。
大家好，我是又拍云开发工程师杨鹏，在又拍云工作已有四年时间，期间一直从事 CDN 底层系统开发的工作，负责调度、缓存、负载均衡等 CDN 的核心组件，很高兴来跟大家分享在网络数据处理方面的经验和感受。今天分享的主题是《如何更快地接收数据》，主要介绍加速网络数据处理的方法和实践。希望能帮助大家更好的了解如何在系统的层面，尽量在应用程序无感的情况下做到极致的优化。言归正传，进入主题。
首先需要清楚在尝试做任何优化的时候，想到的第一件事情应该是什么？个人觉得是衡量指标。做任何改动或优化之前，都要明确地知道，是怎样的指标反映出了当前的问题。那么在做了相应的调整或改动之后，也才能通过指标去验证实际效果与作用。
针对要分享的主题，有一个围绕上面指标核心的基本原则。在网络层面做优化，归根结底只需要看一点，假如可以做到网络栈的每个层次，加入能监控到对应层次的丢包率，这样核心的指标，就可以明确地知道问题出在哪一层。有了明确可监控的指标，之后做相应的调整与实际效果的验证也就很简单了。当然上述两点相对有点虚，接下来就是比较干的部分了。
如上图所示，当收到一个数据包，从进入网卡，一直到达应用层，总的数据流程有很多。在当前阶段，无需关注每个流程，留意其中几个核心的关键路径即可：
第一个，数据包到达网卡；
第二个，网卡在收到数据包时，它需要产生一个中断，告诉 CPU 数据已经到了；
第三步，内核从这个时候开始进行接管，把数据从网卡中拿出来，交到后面内核的协议栈去处理。
以上是三个关键的路径。上图中右边的手绘图指的就是这三个步骤，并有意区分了两个颜色。之所以这么区分是因为接下来会按这两部分进行分享，一是上层驱动部分，二是下层涉及到内核的部分。 当然内核比较多，通篇只涉及到内核网络子系统，更具体来说是内核跟驱动交互部分的内容。
网卡驱动网卡驱动的部分，网卡是硬件，驱动（driver）是软件，包括了网卡驱动部分的大部分。这部分可简单分四个点，依次是初始化、启动、监控与调优驱动它的初始化流程。
网卡驱动-初始化
驱动初始化的过程和硬件相关，无需过分关注。但需注意一点就是注册 ethool 的一系列操作，这个工具可以对网卡做各种各样的操作，不止可以读取网卡的配置，还可以更改网卡的配置参数，是一个非常强大的工具。
那它是如何控制网卡的呢？每个网卡的驱动在初始化时，通过接口，去注册支持 ethool 工具的一系列操作。ethool 是一套很通用的接口，比如说它支持 100 个功能，但每个型号的网卡，只能支持一个子集。所以具体支持哪些功能，会在这一步进行声明。
上图截取的部分，是在初始化时结构体的赋值。前面两个可以简单看一下，驱动在初始化的时候会告诉内核，如果想要操作这块网卡对应的回调函数，其中最主要的是启动和关闭，有用 ifconfig 工具操作网卡的应该都很熟悉，当用 ifconfig up/down 一张网卡的时候，调用的都是它初始化时指定的这几个函数。
网卡驱动-启动
驱动初始化过程之后就是启动（open）中的流程了，一共分为四步：分配 rx/tx 队列内存、
开启 NAPI、注册中断处理函数、开启中断。其中注册中断处理函数和开启中断是理所当然的，任何一个硬件接入到机器上都需要做这个操作。当后面收到一些事件时，它需要通过中断去通知系统，然后开启中断。
第二步的 NAPI 后面会详细说明，这里先重点关注启动过程中对内存的分配。网卡在收到数据时，都必须把数据从链路层拷贝到机器的内存里，而这块内存就是网卡在启动时，通过接口向内核、向操作系统申请而来的。内存一旦申请下来，地址确定之后，后续网卡在收到数据的时候，就可以直接通过 DMA 的机制，直接把数据包传送到内存固定的地址中去，甚至不需要 CPU 的参与。
