6 數(shù)據(jù)鏈路層流程

6．1 發(fā)送端

功能上，在物理層提供比特流服務(wù)的基礎(chǔ)上，建立相鄰結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)鏈路，通過(guò)差錯(cuò)控制提供數(shù)據(jù)幀（Frame）在信道上無(wú)差錯(cuò)的傳輸，并進(jìn)行各電路上的動(dòng)作系列。

數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸。

該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱(chēng)為幀（frame）。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。

實(shí)現(xiàn)上，Linux 提供了一個(gè) Network device 的抽象層，其實(shí)現(xiàn)在 linux／net／core／dev．c。具體的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中（driver．c）需要實(shí)現(xiàn)其中的虛函數(shù)。Network Device 抽象層調(diào)用具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的函數(shù)。

發(fā)送端調(diào)用dev＿queue＿xmit，這個(gè)函數(shù)實(shí)際上調(diào)用＿＿dev＿queue＿xmit：

發(fā)現(xiàn)它調(diào)用了dev＿h(yuǎn)ard＿start＿xmit函數(shù)：

調(diào)用xmit＿one：

調(diào)用trace＿net＿dev＿start＿xmit，實(shí)際上調(diào)用＿＿net＿dev＿start＿xmit函數(shù)：

到此，調(diào)用鏈結(jié)束。gdb調(diào)試如下：

6．2 接收端

簡(jiǎn)要過(guò)程：

一個(gè) package 到達(dá)機(jī)器的物理網(wǎng)絡(luò)適配器，當(dāng)它接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，并將通過(guò) DMA 傳送到位于 linux kernel 內(nèi)存中的 rx＿ring。

網(wǎng)卡發(fā)出中斷，通知 CPU 有個(gè) package 需要它處理。中斷處理程序主要進(jìn)行以下一些操作，包括分配 skb＿buff 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將接收到的數(shù)據(jù)幀從網(wǎng)絡(luò)適配器I／O端口拷貝到skb＿buff 緩沖區(qū)中；

從數(shù)據(jù)幀中提取出一些信息，并設(shè)置 skb＿buff 相應(yīng)的參數(shù)，這些參數(shù)將被上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用，例如skb－＞protocol；

終端處理程序經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，發(fā)出一個(gè)軟中斷（NET＿RX＿SOFTIRQ），通知內(nèi)核接收到新的數(shù)據(jù)幀。

內(nèi)核 2．5 中引入一組新的 API 來(lái)處理接收的數(shù)據(jù)幀，即 NAPI。所以，驅(qū)動(dòng)有兩種方式通知內(nèi)核：（1） 通過(guò)以前的函數(shù)netif＿rx；（2）通過(guò)NAPI機(jī)制。該中斷處理程序調(diào)用 Network device的 netif＿rx＿schedule 函數(shù)，進(jìn)入軟中斷處理流程，再調(diào)用 net＿rx＿action 函數(shù)。

該函數(shù)關(guān)閉中斷，獲取每個(gè) Network device 的 rx＿ring 中的所有 package，最終 pacakage 從 rx＿ring 中被刪除，進(jìn)入 netif ＿receive＿skb 處理流程。

netif＿receive＿skb 是鏈路層接收數(shù)據(jù)報(bào)的最后一站。它根據(jù)注冊(cè)在全局?jǐn)?shù)組 ptype＿all 和 ptype＿base 里的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)類(lèi)型，把數(shù)據(jù)報(bào)遞交給不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的接收函數(shù)（INET域中主要是ip＿rcv和arp＿rcv）。該函數(shù)主要就是調(diào)用第三層協(xié)議的接收函數(shù)處理該skb包，進(jìn)入第三層網(wǎng)絡(luò)層處理。

入口函數(shù)是net＿rx＿action：

發(fā)現(xiàn)調(diào)用napi＿poll，實(shí)質(zhì)上調(diào)用napi＿gro＿receive函數(shù)：

napi＿gro＿receive 會(huì)直接調(diào)用 netif＿receive＿skb＿core。而它會(huì)調(diào)用＿＿netif＿receive＿skb＿one＿core，將數(shù)據(jù)包交給上層 ip＿rcv 進(jìn)行處理。

調(diào)用結(jié)束之后，通過(guò)軟中斷通知CPU，至此，調(diào)用鏈結(jié)束。gdb驗(yàn)證如下：

7 物理層流程

7．1 發(fā)送端

物理層在收到發(fā)送請(qǐng)求之后，通過(guò) DMA 將該主存中的數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)部RAM（buffer）之中。在數(shù)據(jù)拷貝中，同時(shí)加入符合以太網(wǎng)協(xié)議的相關(guān)header，IFG、前導(dǎo)符和CRC。對(duì)于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，物理層發(fā)送采用CSMA／CD，即在發(fā)送過(guò)程中偵聽(tīng)鏈路沖突。

一旦網(wǎng)卡完成報(bào)文發(fā)送，將產(chǎn)生中斷通知CPU，然后驅(qū)動(dòng)層中的中斷處理程序就可以刪除保存的 skb 了。

7．2 接收端

一個(gè) package 到達(dá)機(jī)器的物理網(wǎng)絡(luò)適配器，當(dāng)它接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，并將通過(guò) DMA 傳送到位于 linux kernel 內(nèi)存中的 rx＿ring。

網(wǎng)卡發(fā)出中斷，通知 CPU 有個(gè) package 需要它處理。中斷處理程序主要進(jìn)行以下一些操作，包括分配 skb＿buff 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將接收到的數(shù)據(jù)幀從網(wǎng)絡(luò)適配器I／O端口拷貝到skb＿buff 緩沖區(qū)中；從數(shù)據(jù)幀中提取出一些信息，并設(shè)置 skb＿buff 相應(yīng)的參數(shù)，這些參數(shù)將被上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用，例如skb－＞protocol；

終端處理程序經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，發(fā)出一個(gè)軟中斷（NET＿RX＿SOFTIRQ），通知內(nèi)核接收到新的數(shù)據(jù)幀。

內(nèi)核 2．5 中引入一組新的 API 來(lái)處理接收的數(shù)據(jù)幀，即 NAPI。所以，驅(qū)動(dòng)有兩種方式通知內(nèi)核：（1） 通過(guò)以前的函數(shù)netif＿rx；（2）通過(guò)NAPI機(jī)制。該中斷處理程序調(diào)用 Network device的 netif＿rx＿schedule 函數(shù)，進(jìn)入軟中斷處理流程，再調(diào)用 net＿rx＿action 函數(shù)。

該函數(shù)關(guān)閉中斷，獲取每個(gè) Network device 的 rx＿ring 中的所有 package，最終 pacakage 從 rx＿ring 中被刪除，進(jìn)入 netif ＿receive＿skb 處理流程。

netif＿receive＿skb 是鏈路層接收數(shù)據(jù)報(bào)的最后一站。它根據(jù)注冊(cè)在全局?jǐn)?shù)組 ptype＿all 和 ptype＿base 里的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)類(lèi)型，把數(shù)據(jù)報(bào)遞交給不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的接收函數(shù)（INET域中主要是ip＿rcv和arp＿rcv）。該函數(shù)主要就是調(diào)用第三層協(xié)議的接收函數(shù)處理該skb包，進(jìn)入第三層網(wǎng)絡(luò)層處理。

8 時(shí)序圖展示和總結(jié)

時(shí)序圖如下：

本次實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)分析Linux內(nèi)核源代碼，一步步地通過(guò)gdb進(jìn)行調(diào)試函數(shù)調(diào)用鏈，最終清楚了tcp／ip協(xié)議棧的調(diào)用過(guò)程。因?yàn)闀r(shí)間有限，部分細(xì)節(jié)可能會(huì)有錯(cuò)誤，希望讀者多加指正。