6 数据链路层流程

6．1 发送端

功能上，在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。

数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。

该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在这一层，数据的单位称为帧（frame）。数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。

实现上，Linux 提供了一个 Network device 的抽象层，其实现在 linux／net／core／dev．c。具体的物理网络设备在设备驱动中（driver．c）需要实现其中的虚函数。Network Device 抽象层调用具体网络设备的函数。

发送端调用dev＿queue＿xmit，这个函数实际上调用＿＿dev＿queue＿xmit：

发现它调用了dev＿hard＿start＿xmit函数：

调用xmit＿one：

调用trace＿net＿dev＿start＿xmit，实际上调用＿＿net＿dev＿start＿xmit函数：

到此，调用链结束。gdb调试如下：

6．2 接收端

简要过程：

一个 package 到达机器的物理网络适配器，当它接收到数据帧时，就会触发一个中断，并将通过 DMA 传送到位于 linux kernel 内存中的 rx＿ring。

网卡发出中断，通知 CPU 有个 package 需要它处理。中断处理程序主要进行以下一些操作，包括分配 skb＿buff 数据结构，并将接收到的数据帧从网络适配器I／O端口拷贝到skb＿buff 缓冲区中；

从数据帧中提取出一些信息，并设置 skb＿buff 相应的参数，这些参数将被上层的网络协议使用，例如skb－＞protocol；

终端处理程序经过简单处理后，发出一个软中断（NET＿RX＿SOFTIRQ），通知内核接收到新的数据帧。

内核 2．5 中引入一组新的 API 来处理接收的数据帧，即 NAPI。所以，驱动有两种方式通知内核：（1） 通过以前的函数netif＿rx；（2）通过NAPI机制。该中断处理程序调用 Network device的 netif＿rx＿schedule 函数，进入软中断处理流程，再调用 net＿rx＿action 函数。

该函数关闭中断，获取每个 Network device 的 rx＿ring 中的所有 package，最终 pacakage 从 rx＿ring 中被删除，进入 netif ＿receive＿skb 处理流程。

netif＿receive＿skb 是链路层接收数据报的最后一站。它根据注册在全局数组 ptype＿all 和 ptype＿base 里的网络层数据报类型，把数据报递交给不同的网络层协议的接收函数（INET域中主要是ip＿rcv和arp＿rcv）。该函数主要就是调用第三层协议的接收函数处理该skb包，进入第三层网络层处理。

入口函数是net＿rx＿action：

发现调用napi＿poll，实质上调用napi＿gro＿receive函数：

napi＿gro＿receive 会直接调用 netif＿receive＿skb＿core。而它会调用＿＿netif＿receive＿skb＿one＿core，将数据包交给上层 ip＿rcv 进行处理。

调用结束之后，通过软中断通知CPU，至此，调用链结束。gdb验证如下：

7 物理层流程

7．1 发送端

物理层在收到发送请求之后，通过 DMA 将该主存中的数据拷贝至内部RAM（buffer）之中。在数据拷贝中，同时加入符合以太网协议的相关header，IFG、前导符和CRC。对于以太网网络，物理层发送采用CSMA／CD，即在发送过程中侦听链路冲突。

一旦网卡完成报文发送，将产生中断通知CPU，然后驱动层中的中断处理程序就可以删除保存的 skb 了。

7．2 接收端

一个 package 到达机器的物理网络适配器，当它接收到数据帧时，就会触发一个中断，并将通过 DMA 传送到位于 linux kernel 内存中的 rx＿ring。

网卡发出中断，通知 CPU 有个 package 需要它处理。中断处理程序主要进行以下一些操作，包括分配 skb＿buff 数据结构，并将接收到的数据帧从网络适配器I／O端口拷贝到skb＿buff 缓冲区中；从数据帧中提取出一些信息，并设置 skb＿buff 相应的参数，这些参数将被上层的网络协议使用，例如skb－＞protocol；

终端处理程序经过简单处理后，发出一个软中断（NET＿RX＿SOFTIRQ），通知内核接收到新的数据帧。

内核 2．5 中引入一组新的 API 来处理接收的数据帧，即 NAPI。所以，驱动有两种方式通知内核：（1） 通过以前的函数netif＿rx；（2）通过NAPI机制。该中断处理程序调用 Network device的 netif＿rx＿schedule 函数，进入软中断处理流程，再调用 net＿rx＿action 函数。

该函数关闭中断，获取每个 Network device 的 rx＿ring 中的所有 package，最终 pacakage 从 rx＿ring 中被删除，进入 netif ＿receive＿skb 处理流程。

netif＿receive＿skb 是链路层接收数据报的最后一站。它根据注册在全局数组 ptype＿all 和 ptype＿base 里的网络层数据报类型，把数据报递交给不同的网络层协议的接收函数（INET域中主要是ip＿rcv和arp＿rcv）。该函数主要就是调用第三层协议的接收函数处理该skb包，进入第三层网络层处理。

8 时序图展示和总结

时序图如下：

本次实验主要是通过分析Linux内核源代码，一步步地通过gdb进行调试函数调用链，最终清楚了tcp／ip协议栈的调用过程。因为时间有限，部分细节可能会有错误，希望读者多加指正。