IP 协议栈架构¶

IP 协议栈顶层概述¶

Network stack overview

IP 协议栈是分层的，由以下几部分组成：
网络应用程序。 这些应用程序使用连接 API 来操作网络连接，使用管理 API 来设置网络相关的参数（例如启动扫描、设置网络接口的 IP 地址等）。
核心 IP 协议栈。 它实现了各种各样的协议，例如 IPv6、IPv4、UDP、TCP、ICMPv4 和 ICMPv6。
网络接口抽象层。 它为所有网络接口提供了通用功能，例如获取 IP 地址等。
通用的 L2 层。 为向实际网络设备收发数据提供通用 API。
L2 网络技术组件。 这些组件包括 Ethernet、IEEE 802.15.4、Bluetooth 等。其中，部分技术支持 IPv6 头部压缩（6LoWPAN），已在其自己的分层中实现。例如，在 Ethernet 组件中实现了 ARP。
网络设备驱动程序。 实际的底层设备驱动程序，用于处理网络报文的物理收发。

网络数据流

应用程序通常由一个或多有执行应用程序逻辑的 task 或线程组成。当使用网络连接 API 时，将会发生下面的事：

数据接收（RX）：

设备驱动程序接收到一个网络数据报文。
设备驱动程序分配足够的网络 buffe，用于存储所接收到的数据。之后，网络 buffer 会被传递到 RX FIFO，用于进一步处理。RX FIFO 用于分隔数据处理流水线（底半步），因为设备驱动程序运行在中断上下文，它必须快速地处理工作。
RX 线程读取 RX FIFO，并将数据传递到正确的 L2 驱动程序。经过 L2 驱动程序检查后，报文会被传递到 L3 继续处理。L3 层检测报文是否是 IPv6 报文或 IPv4 报文。如果报文包含 UDP 或 TCP 数据，它会通过回调函数传递给相应的应用程序。这意味着，回调函数中的应用程序处理数据时是运行在线程上下文中的，即使实际的应用程序运行在 task 上下文。在应用程序回调中处理数据应尽快完成，以避免阻塞系统的时间太久。系统中只有一个 RX 线程。RX 线程的栈大小可以通过 Kconfig 选项调整，但是它的值应当保持尽量小。这也意味着在数据处回调函数中应尽量少用栈空间，以避免栈溢出。
然后数据会被应用程序接收到，并保存在一个 net_bufs 链中。应用程序此时就获得了数据。当应用程序完成它自己的处理工作后，它应当调用 net_nbuf_unref() 来释放 net_bufs 数据。

数据发送（TX）：

当应用程序准备发送数据时，应当使用连接 API。待发送的数据会被相应的 L2 层模块检查，如果一切 ok，数据会被放到合适的网络接口的 TX 队列中。选择网络接口时通常会选择用于响应数据报文的同一个接口，或者根据路由算法所选择的接口。当数据被正确地放到 TX 队列中后，应用程序不需要释放数据报文；网络驱动程序会在数据发送后将其释放。如果连接 API 的发送函数给应用程序返回了一个错误，说明报文未被正确地发送出去，此时应用程序需要释放这个报文。
每个网络接口都有一个与之关联的 TX 线程，它会将报文发送到正确的设备驱动程序中。
如果设备驱动程序能将网络报文注射到网络中，它会释放报文。通常，在这一层没有重传机制，因此通常即使报文未被正确发送也有可能被释放。这依赖于所使用的技术。