网络数据帧是什么？
应用层要传输的数据需要封装成网络数据帧，才可以在物理介质上传输。我们先看网络帧的模样，再谈它是如何一步一步形成这般。下图就是网络数据帧。
用户在应用层把数据传递给其他主机，肯定不可能直接把这个数据发过去，网络传输介质都不认识这个，故对其进行封装，这个任务由网络协议栈来做，下图就是封装用户数据到网络数据帧的流程。如果网卡接收到网络数据帧，交给协议栈处理之时，协议栈会由下往上来进行拆解，从而留下应用层能够处理的用户数据。
注：网络接口层 = 数据链路层 + 物理层
DMA 技术
DMA 的作用就是实现数据的直接传输，而去掉了传统数据传输需要 CPU 参与的环节。下图中内存读取外设的数据，这个过程不再先之前那样需要 CPU 的参与，而是利用 DMA 这个通道，直接读取。
- 请求阶段: 外设发出 DMA 请求给 DMA 控制器，表明其需要进行数据传输。
- 仲裁阶段: DMA 控制器决定是否接受该请求，并与 CPU 进行总线控制权的仲裁（若 CPU 正在使用总线，则需要等待）。
- 数据传输阶段: 一旦获得总线控制权，DMA 控制器直接将数据从源地址传输到目的地址，而无需经过 CPU。
- 完成阶段: 数据传输完成后，DMA 控制器会发送传输完成信号给外设，并向 CPU 发出中断信号，通知数据传输已经完成。
DMA 和 CPU主导的数据拷贝到区别
CPU 明显是可以进行数据拷贝，但是 DMA 设计出来就是为了接受这份“无聊”的工作，让 CPU 专注于计算相关的工作。因此，DMA 在针对数据拷贝这块的设计上，究竟有哪些优势？
（一）工作方式的不同
- CPU：当没有 DMA 时，CPU 需要逐字节（或逐字）地读取数据源，然后将其写入目标地址。这种操作会消耗 CPU 的大量时钟周期，因为 CPU 需要从 I/O 设备（如磁盘、网卡）读取数据、处理数据再写入内存，每次数据读写都涉及 CPU 指令、总线操作、缓存管理等，效率低下。
- DMA：DMA 控制器负责数据的传输，它可以独立于 CPU 进行内存和 I/O 设备之间的数据搬移。
（二）总线的利用率不同
- CPU：CPU 每次进行读写操作时都需要占用系统总线（如 PCI 总线、内存总线），每次传输的过程包括 CPU 发出指令、读取数据、写入数据等，导致总线效率较低，传输延迟较大。
- DMA：DMA 控制器能够直接管理总线，并且以突发模式（Burst Mode）一次性传输大量数据，从而提高总线利用率，减少 CPU 和设备之间来回切换的开销。
（三）传输效率和吞吐量
- CPU：数据传输速率受限于 CPU 指令处理速度、总线速度和系统中断延迟等因素。当有大量数据传输时，CPU 会被大量的中断请求打断，导致系统性能下降。
- DMA：DMA 传输速度通常比 CPU 主导的传输更快，因为它可以直接与内存或外设通信，并且支持大块数据一次性搬移。尤其是高速外设（如硬盘、网卡）和内存之间的传输，DMA 可以大幅提升吞吐量。
（四）零拷贝机制的支持
- CPU：通常需要在不同存储空间（如用户空间、内核空间）之间进行多次拷贝，每次拷贝都意味着额外的内存操作和时间开销。
- DMA：DMA 控制器可以直接将数据从外设搬移到目标存储空间（如内核缓冲区、用户内存），甚至通过 Scatter-Gather DMA 直接分发到多个目标内存块，实现零拷贝或最小化拷贝次数的优化。
接收网络数据包
只需要讲清楚 接受网络数据包的过程，就可以轻松理解 发送用户数据包的过程了。
- 网络数据帧到达网卡，按照 FIFO 顺序被存入网卡的接收队列。网卡通过 DMA 技术，将网络包写入到环形缓冲区（Ring Buffer）的一个空闲位置。
- 当缓冲区中存有一定数量的网络包时，或者某个时间间隔内到达的网络包数达到阈值，网卡会触发一个硬件中断。当 CPU 收到硬件中断请求后，根据中断注册表，找到注册的中断处理函数。
- 中断处理函数会屏蔽网卡的中断。目的是避免CPU被频繁中断而无法处理其他任务，屏蔽中断是告诉网卡已经知道内存中有数据了，下次再收到数据包直接写内存就可以了，不要再通知 CPU 了。然后发起软中断，恢复刚才屏蔽的中断。内核中的 ksoftirqd 线程收到软中断后，就会调用相应软中断的处理函数来轮询处理数据，即：从Ring Buffer 中获取一个数据帧，用 sk_buff 表示，作为一个网络包交给网络协议栈从下到上进行逐层处理。
- 经由网络协议栈层层剥离出来的对端的用户数据给到 Socket（由四元组标识，即源端口+源IP+目标端口+目标IP） 的接收缓冲区中（内核态），应用层再从 Socket 的接收缓冲区中拷贝到应用层的接收缓冲区中（用户态），应用就从接收缓冲区中读取数据了。
参考链接见下：
