6 數據鏈路層流程

6．1 發(fā)送端

功能上，在物理層提供比特流服務的基礎上，建立相鄰結點之間的數據鏈路，通過差錯控制提供數據幀（Frame）在信道上無差錯的傳輸，并進行各電路上的動作系列。

數據鏈路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。

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

實現上，Linux 提供了一個 Network device 的抽象層，其實現在 linux／net／core／dev．c。具體的物理網絡設備在設備驅動中（driver．c）需要實現其中的虛函數。Network Device 抽象層調用具體網絡設備的函數。

發(fā)送端調用dev＿queue＿xmit，這個函數實際上調用＿＿dev＿queue＿xmit：

發(fā)現它調用了dev＿hard＿start＿xmit函數：

調用xmit＿one：

調用trace＿net＿dev＿start＿xmit，實際上調用＿＿net＿dev＿start＿xmit函數：

到此，調用鏈結束。gdb調試如下：

6．2 接收端

簡要過程：

一個 package 到達機器的物理網絡適配器，當它接收到數據幀時，就會觸發(fā)一個中斷，并將通過 DMA 傳送到位于 linux kernel 內存中的 rx＿ring。

網卡發(fā)出中斷，通知 CPU 有個 package 需要它處理。中斷處理程序主要進行以下一些操作，包括分配 skb＿buff 數據結構，并將接收到的數據幀從網絡適配器I／O端口拷貝到skb＿buff 緩沖區(qū)中；

從數據幀中提取出一些信息，并設置 skb＿buff 相應的參數，這些參數將被上層的網絡協議使用，例如skb－＞protocol；

終端處理程序經過簡單處理后，發(fā)出一個軟中斷（NET＿RX＿SOFTIRQ），通知內核接收到新的數據幀。

內核 2．5 中引入一組新的 API 來處理接收的數據幀，即 NAPI。所以，驅動有兩種方式通知內核：（1） 通過以前的函數netif＿rx；（2）通過NAPI機制。該中斷處理程序調用 Network device的 netif＿rx＿schedule 函數，進入軟中斷處理流程，再調用 net＿rx＿action 函數。

該函數關閉中斷，獲取每個 Network device 的 rx＿ring 中的所有 package，最終 pacakage 從 rx＿ring 中被刪除，進入 netif ＿receive＿skb 處理流程。

netif＿receive＿skb 是鏈路層接收數據報的最后一站。它根據注冊在全局數組 ptype＿all 和 ptype＿base 里的網絡層數據報類型，把數據報遞交給不同的網絡層協議的接收函數（INET域中主要是ip＿rcv和arp＿rcv）。該函數主要就是調用第三層協議的接收函數處理該skb包，進入第三層網絡層處理。

入口函數是net＿rx＿action：

發(fā)現調用napi＿poll，實質上調用napi＿gro＿receive函數：

napi＿gro＿receive 會直接調用 netif＿receive＿skb＿core。而它會調用＿＿netif＿receive＿skb＿one＿core，將數據包交給上層 ip＿rcv 進行處理。

調用結束之后，通過軟中斷通知CPU，至此，調用鏈結束。gdb驗證如下：

7 物理層流程

7．1 發(fā)送端

物理層在收到發(fā)送請求之后，通過 DMA 將該主存中的數據拷貝至內部RAM（buffer）之中。在數據拷貝中，同時加入符合以太網協議的相關header，IFG、前導符和CRC。對于以太網網絡，物理層發(fā)送采用CSMA／CD，即在發(fā)送過程中偵聽鏈路沖突。

一旦網卡完成報文發(fā)送，將產生中斷通知CPU，然后驅動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 package 到達機器的物理網絡適配器，當它接收到數據幀時，就會觸發(fā)一個中斷，并將通過 DMA 傳送到位于 linux kernel 內存中的 rx＿ring。

網卡發(fā)出中斷，通知 CPU 有個 package 需要它處理。中斷處理程序主要進行以下一些操作，包括分配 skb＿buff 數據結構，并將接收到的數據幀從網絡適配器I／O端口拷貝到skb＿buff 緩沖區(qū)中；從數據幀中提取出一些信息，并設置 skb＿buff 相應的參數，這些參數將被上層的網絡協議使用，例如skb－＞protocol；

終端處理程序經過簡單處理后，發(fā)出一個軟中斷（NET＿RX＿SOFTIRQ），通知內核接收到新的數據幀。

內核 2．5 中引入一組新的 API 來處理接收的數據幀，即 NAPI。所以，驅動有兩種方式通知內核：（1） 通過以前的函數netif＿rx；（2）通過NAPI機制。該中斷處理程序調用 Network device的 netif＿rx＿schedule 函數，進入軟中斷處理流程，再調用 net＿rx＿action 函數。

該函數關閉中斷，獲取每個 Network device 的 rx＿ring 中的所有 package，最終 pacakage 從 rx＿ring 中被刪除，進入 netif ＿receive＿skb 處理流程。

netif＿receive＿skb 是鏈路層接收數據報的最后一站。它根據注冊在全局數組 ptype＿all 和 ptype＿base 里的網絡層數據報類型，把數據報遞交給不同的網絡層協議的接收函數（INET域中主要是ip＿rcv和arp＿rcv）。該函數主要就是調用第三層協議的接收函數處理該skb包，進入第三層網絡層處理。

8 時序圖展示和總結

時序圖如下：

本次實驗主要是通過分析Linux內核源代碼，一步步地通過gdb進行調試函數調用鏈，最終清楚了tcp／ip協議棧的調用過程。因為時間有限，部分細節(jié)可能會有錯誤，希望讀者多加指正。