深度解析Linux DMA框架：实现高效数据传输 (linux dma框架)
Linux DMA框架是Linux内核中实现高效数据传输的核心部分。DMA（Direct Memory Access）描述了一种直接从I/O设备到内存之间进行数据传输的机制，并且无需CPU的介入，进而实现了高效数据传输。本文将深度解析Linux DMA框架的实现和使用，以及如何实现高效数据传输。
一、Linux DMA框架实现的基础
1. I/O空间和内存空间之间的数据传输
I/O空间和内存空间之间的数据传输需要一对句柄，也就是DMA句柄和物理句柄。物理句柄描述了一个映射I/O空间的内存区域，而DMA句柄描述了一个映射物理句柄的DMA内存区域。因此，I/O操作可以非常方便地定位DMA内存地址，进而直接在DMA内存中完成一次完整的数据传输。
2. DMA引擎
DMA引擎是用于管理DMA传输的硬件模块，通常内置于I/O设备中。DMA引擎在数据传输中不需要CPU的干预，可以实现高效、无损的物理数据传输。
3. DMA通道
DMA通道是一个中间层对象，用于协调DMA引擎和Linux内核中实际调用的模块。DMA通道为每个DMA传输分配一个DMA句柄和物理句柄，它的作用是提供物理地址和句柄内存映射，确保整个数据传输过程中的可靠性。DMA通道也可以用于实现内存映射，通过映射的方式直接访问内存区域。
二、如何实现高效数据传输
1. 灵活的DMA通道数量管理
Linux内核提供了很多DMA通道，但是在实际应用中，我们并不需要特别多的DMA通道。因此在实际使用时，需要灵活地使用DMA通道。
有些应用需要高速传输，而有些应用不需要那么高的速度，这时候就可以灵活调整DMA通道数量。通过通过使用适当数量的DMA通道来平衡传输速度和通道开销，我们就可以实现一个既高效又高可靠的系统。
2. DMA传输缓冲区的分配和管理
DMA传输缓冲区是用于存储DMA传输数据的内存区域。通常情况下，我们不能通过内置缓冲区来快速访问DMA内存缓存，因为DMA内存不在主内存的映射地址空间中。
因此，我们需要在内部分配大量的DMA缓存区以供物理DMA引擎使用。多数时候，这些缓存区是从内存池中分配的，我们需要保证这些缓存区的大小充足，以便存储一个数据块的数据。一旦DMA传输完成，我们要让DMA通道回收缓存区。
3. DMA传输的预处理和后处理
预处理和后处理是提高DMA传输效率的重要手段。预处理和后处理可以通过一些优化方法使数据更快地从I/O设备中传输到DMA内存中，其中包含以下三种：
（1）预处理：可以通过一些优化算法，将数据缓存到内存中，等待DMA传输；
（2）并行传输：可以同时使用多个DMA通道，以提高传输速度；
（3）后处理：可以通过一些优化算法，尽可能快地将数据从DMA内存传输到目标内存区域。这样，CPU就能及时地读取这些数据，并且在DMA速度达到峰值时，CPU也不会因为I/O操作而被占满。
4. 基于DMA通道的数据传输
基于DMA通道的数据传输是另一种使用Linux DMA框架实现高效数据传输的方式。使用基于DMA通道的数据传输，可以减少Linux内核中对数据的映射，提高数据的传输效率。 只要DMA通道有空闲，就可以减少需要CPU介入的次数，提高数据传输效率。
5. 避免DMA通道争用
在Linux内核中DMA通道数量是非常少的（通常在8或16个以内），DMA通道的争用会严重影响整个系统的性能。因此，我们应该在设计时避免DMA通道的争用。
可以通过管理Linux内核中不同模块的DMA通道数量，避免DMA通道争用。此外，为不同模块分配一个合适的DMA通道可以避免数据传输过程中的争用。
三、
本文深入分析了Linux DMA框架的实现和使用，以及使用该框架实现高效数据传输的方法。使用DMA框架可以使数据更快、更有效地传输，从而提高系统性能，优化网络应用性能和数据处理场景效率。因此，对于以性能为重点的应用场景，使用Linux DMA框架是非常值得推荐的。
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关于 Linux 网络，你必须知道这些
我们一起学习了文件系统和磁盘 I/O 的工作原理，以及相应的性能分析和优化方法。接下来，我们将进入下一个重要模块—— Linux 的网络子系统。
由于网络处理的流程最复杂，跟我们前面讲到的进程调度、中断处理、内存管理以及 I/O 等都密不可分，所以，我把网络模块作为最后一个资源模块来讲解。
同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得越来越重要。
说到网络，我想你肯定经常提起七层负载均衡、四层负载均衡，或者三层设备、二层设备等等。那么，这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢？
实际上，这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），简称为 OSI 网络模型。
但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。
TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，
为了帮你更形象理解 TCP/IP 与 OSI 模型的关系，我画了一张图，如下所示：
当然了，虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层（而它们对应到 TCP/IP 模型中，实际上是四层和三层）。
OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立TCP/IP模型。
OSI先有模型，后有协议，先有标准，后进行实践；而TCP/IP则相反，先有协议和应用再提出了模型，且是参照的OSI模型。
OSI是一种理论下的模型，而TCP/IP已被广泛使用，成为网络互联事实上的标准。
有了 TCP/IP 模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再渗核发送给下一层。
当然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层，一个提供 REST API 的应用，可以使用 HTTP 协议，把它需要传输的 ON 数据封装到 HTTP 协议中，然后向下传递给 TCP 层。
而封装做的事情就很简单了，只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。
比如，以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。
这些新丛唤掘增的头部和尾部，增加了网络包的链判大小，但我们都知道，物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的更大传输单元（MTU），就规定了更大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500（这也是 Linux 的默认值）。
一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。
理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，你很容易能想到，Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：
我们从上到下来看这个网络栈，你可以发现，
这里我简单说一下网卡。网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。
再结合前面提到的 Linux 网络栈，可以看出，网络包的处理非常复杂。所以，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。
我们先来看网络包的接收流程。
当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。
接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。
接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。比如，
最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。
为了更清晰表示这个流程，我画了一张图，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。
了解网络包的接收流程后，就很容易理解网络包的发送流程。网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。
首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。
由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。
接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。
分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。
最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。
多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。
TCP/IP 模型，把网络互联的框架，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。
我结合网络上查阅的资料和文章中的内容，总结了下网卡收发报文的过程，不知道是否正确：
当发送数据包时，与上述相反。链路层将数据包封装完毕后，放入网卡的DMA缓冲区，并调用系统硬中断，通知网卡从缓冲区读取并发送数据。
了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？
实际上，我们通常用带宽、吞吐量、延时、PPS（Packet Per Second）等指标衡量网络的性能。
除了这些指标，网络的可用性（网络能否正常通信）、并发连接数（TCP 连接数量）、丢包率（丢包百分比）、重传率（重新传输的网络包比例）等也是常用的性能指标。
分析网络问题的之一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。我个人更推荐使用 ip 工具，因为它提供了更丰富的功能和更易用的接口。
以网络接口 eth0 为例，你可以运行下面的两个命令，查看它的配置和状态：
你可以看到，ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如，它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。
之一，网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。
第二，MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。
第三，网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。
第四，网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX 和 RX 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络 I/O 问题。其中：
ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息，我们也必须关注。你可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。
我个人更推荐，使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。
比如，你可以执行下面的命令，查询套接字信息：
netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。
其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当你发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。
当套接字处于连接状态（Established）时，
当套接字处于监听状态（Listening）时，
所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。
与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。
类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：
这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息。
比如，上面 netstat 的输出示例，就展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。
接下来，我们再来看看，如何查看系统当前的网络吞吐量和 PPS。在这里，我推荐使用我们的老朋友 sar，在前面的 CPU、内存和 I/O 模块中，我们已经多次用到它。
给 sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息，比如网络接口（DEV）、网络接口错误（EDEV）、TCP、UDP、ICMP 等等。执行下面的命令，你就可以得到网络接口统计信息：
这儿输出的指标比较多，我来简单解释下它们的含义。
其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：
其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：
我们通常使用带宽、吞吐量、延时等指标，来衡量网络的性能；相应的，你可以用 ifconfig、netstat、ss、sar、ping 等工具，来查看这些网络的性能指标。
小狗同学问到： 老师，您好 ss —lntp 这个 当session处于listening中 rec-q 确定是 syn的backlog吗？
A: Recv-Q为全连接队列当前使用了多少。 中文资料里这个问题讲得最明白的文章：
看了源码发现，这个地方讲的有问题.关于ss输出中listen状态套接字的Recv-Q表示全连接队列当前使用了多少,也就是全连接队列的当前长度,而Send-Q表示全连接队列的更大长度
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