网络协议栈简介

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一、简介

1、OS 网络协议栈的功能

OS 网络协议栈主要用于处理网络通信过程中涉及的二层、三层和四层协议。以下是 OSI 七层网络模型与 TCP/IP 四层模型的对比，以及它们在网络通信中的对应协议：

TCP/IP 四层模型	OSI 七层模型	对应网络协议举例
应用层	应用层	HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet
	表示层	JPEG, ASCII, TLS, SSL
	会话层	RPC, NetBIOS
传输层	传输层	TCP, UDP
网络层	网络层	IP, ICMP, ARP, RARP
网络接口层	数据链路层	Ethernet (以太网), PPP, SLIP
网络接口层	物理层	电缆, 集线器 (Hub), 中继器

2、openvela 网络协议栈的能力

openvela 网络协议栈提供了从驱动到用户态的全栈网络通信能力，支持多种协议和工具。以下是其核心功能的示意图：

3、用户态接口

Socket 接口是网络通信的核心，openvela 网络协议栈支持标准的 POSIX Socket 接口，用于实现高效的用户态网络通信。以下是常用的 Socket 接口函数及其功能说明。

int socket(int domain, int type, int protocol);
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);
int bind(int sockfd, FAR const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
int connect(int sockfd, FAR const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

int listen(int sockfd, int backlog);
int accept(int sockfd, FAR struct sockaddr *addr, FAR socklen_t *addrlen);
int accept4(int sockfd, FAR struct sockaddr *addr, FAR socklen_t *addrlen,
            int flags);

ssize_t send(int sockfd, FAR const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, FAR const void *buf, size_t len, int flags,
               FAR const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

ssize_t recv(int sockfd, FAR void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, FAR void *buf, size_t len, int flags,
                 FAR struct sockaddr *from, FAR socklen_t *fromlen);

int shutdown(int sockfd, int how);

int ioctl(int fd, int req, ...);

int setsockopt(int sockfd, int level, int option,
               FAR const void *value, socklen_t value_len);
int getsockopt(int sockfd, int level, int option,
               FAR void *value, FAR socklen_t *value_len);

int getsockname(int sockfd, FAR struct sockaddr *addr,
                FAR socklen_t *addrlen);
int getpeername(int sockfd, FAR struct sockaddr *addr,
                FAR socklen_t *addrlen);

ssize_t recvmsg(int sockfd, FAR struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t sendmsg(int sockfd, FAR struct msghdr *msg, int flags);

int poll(FAR struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
int select(int nfds, FAR fd_set *readfds, FAR fd_set *writefds,
           FAR fd_set *exceptfds, FAR struct timeval *timeout);

二、协议栈基础能力

openvela 网络协议栈支持多种网络层和传输层协议，包括 IPv4、IPv6、TCP、UDP 和 ICMP，为开发者提供全面的网络通信能力。以下是各协议的功能简要介绍。

1、IPv4 / IPv6 能力

openvela 网络协议栈同时支持 IPv4 和 IPv6 协议，并提供以下扩展功能：

ARP 和 NDP 协议。
DHCP/DHCPv6：支持 DHCP 客户端和服务器功能。
分片支持：支持 IPv4 分片和 IPv6 分片功能。
6LoWPAN：支持低功耗无线个域网协议。
多地址支持：单张网卡可配置多个 IPv6 地址。
IPv6 自动配置：支持接收和发送 IPv6 路由通告（Router Advertisement），可自动配置自身 IPv6 地址，并作为路由器为其他设备提供前缀。

2、TCP 能力

openvela 网络协议栈支持在 IPv4 和 IPv6 上运行 TCP 协议，并提供以下功能：

标准 socket 接口支持：
- 提供 bind、listen、connect、accept、send、recv、shutdown、poll 等标准 POSIX Socket 接口。
TCP 特性支持：
- Backlog：支持连接队列的管理。
- Keepalive：支持 TCP 保活机制。
- SACK / Delayed ACK：支持选择性确认（SACK）和延迟确认（Delayed ACK）。
- Send / Recv Buffer：支持发送和接收缓冲区管理。
- Fast Retransmit：支持快速重传机制。
- Zero Window Probe：支持零窗口探测功能。
- 拥塞控制算法：支持 New Reno 拥塞控制算法。
- RTT 估算：支持往返时间（RTT）估算功能。

3、UDP / ICMP / ICMPv6 能力

openvela 网络协议栈支持 UDP、ICMP 和 ICMPv6 协议，具体功能如下：

UDP 能力

标准 Socket 接口支持：
- 提供 bind、listen、connect、send、recv、poll 等标准 POSIX Socket 接口。
UDP 特性支持：
- Recv Buffer：支持接收缓冲区管理。
- Multicast & Broadcast：支持组播和广播功能。
- Bind to Device：支持绑定到特定设备的功能。

ICMP / ICMPv6 能力

ICMP 报文支持：
- 在适当时机发送 ICMP 和 ICMPv6 报文，例如：
  - 对 ECHO 请求（如 ping）进行响应。
  - 对 TTL（生存时间）过期的报文进行回复。
  - 对不可达的地址或端口发送错误报文。

三、协议栈进阶能力

openvela 网络协议栈除了基础的网络通信能力外，还提供了一系列进阶功能，适用于多核架构、复杂路由场景以及高性能网络需求。以下是进阶能力的详细介绍。

1、Usrsock 代理能力

Rpmsg Usrsock 是 openvela 实现的一种代理机制，用于将用户态的套接字操作通过 RPMsg 等方式代理到 Server 侧执行。它分为 Client 侧和 Server 侧，分别负责请求转发和实际处理。如下图所示：

工作原理

Usrsock Client 侧：
- 用户态程序的所有套接字操作（如 send、recv 等）都会通过 RPMsg 等代理方式转发到 Server 侧。
Usrsock Server 侧：
- 负责实际处理套接字操作。
- 将 Client 侧传递的套接字参数应用到 Server 侧的网络协议栈中，完成操作。

应用场景

多核 openvela 产品：
- 在多核设备中，通过 RPMsg 实现 Usrsock，仅在一个 openvela 实例上运行网络协议栈，其他核通过代理访问网络功能。
模拟器上网：
- 在模拟器环境中，通过直接系统调用实现 Usrsock，相当于 openvela 内部的应用程序调用宿主 Linux 的套接字接口。

2、路由与转发能力

当设备具有多张网卡时，openvela 网络协议栈提供了强大的路由和转发功能，支持复杂的网络拓扑和高效的报文处理。

基础转发能力：
- 当设备收到目标地址非本机的 IP 报文时，可在网卡间转发报文。
- 转发时会将报文的 TTL（生存时间）减 1，并从其他网卡发出。
路由表及最长前缀匹配：
- 支持基于路由表的转发，采用最长前缀匹配算法选择最佳路由。
错误处理与 ICMP 报文：
- 遇到错误时发送 ICMP 和 ICMPv6 报文，例如：
  - TTL 过期：当报文的 TTL 减为 0 时发送错误报文。
  - 地址不可达：当目标地址不可达时发送错误报文。
IPv4/IPv6 NAT 支持：
- 提供类似 Linux iptables 的 NAT（网络地址转换）功能，支持 IPv4 和 IPv6。

3、其他高级能力

openvela 网络协议栈还支持以下高级功能，满足高性能和复杂网络需求：

零拷贝（Zero-Copy）：
- 支持定长缓冲区的零拷贝（IOB Offloading）。
- 即将支持变长缓冲区的零拷贝功能，进一步提升性能。
GRO/GSO：
- GRO（Generic Receive Offload）：减少接收端的协议栈处理开销。
- GSO（Generic Segmentation Offload）：减少发送端的分段处理开销。
防火墙：
- 提供基础防火墙功能，用于过滤和管理网络流量。
VLAN 支持：
- 支持虚拟局域网（VLAN）功能，适用于复杂网络拓扑。

四、驱动接口

Netdev 是 openvela 网络协议栈的驱动接口层，负责连接网络协议栈与底层硬件驱动。通过标准化的接口，Netdev 提供了灵活的网络设备管理能力，包括设备的注册、数据收发、无线网络操作等。

typedef struct iob_s netpkt_t;

struct netdev_ops_s
{
  int (*ifup)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);
  int (*ifdown)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);

  int (*transmit)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev, FAR netpkt_t *pkt);
  FAR netpkt_t *(*receive)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);

  int (*addmac)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev, FAR const uint8_t *mac);
  int (*rmmac)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev, FAR const uint8_t *mac);
  int (*ioctl)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev, int cmd, unsigned long arg);
}

typedef int (*iw_handler_rw)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev,
                             FAR struct iwreq *iwr, bool set);
typedef int (*iw_handler_ro)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev,
                             FAR struct iwreq *iwr);

struct wireless_ops_s
{
  int (*connect)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);
  int (*disconnect)(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);

  iw_handler_rw essid;
  iw_handler_rw bssid;
  iw_handler_rw passwd;
  iw_handler_rw mode;
  iw_handler_rw auth;
  iw_handler_rw freq;
  iw_handler_rw bitrate;
  iw_handler_rw txpower;
  iw_handler_rw country;
  iw_handler_rw sensitivity;
  iw_handler_rw scan;
  iw_handler_ro range;
};

struct netdev_lowerhalf_s
{
  FAR const struct netdev_ops_s *ops;
  FAR const struct wireless_ops_s *iw_ops;
  int quota[NETPKT_TYPENUM]; /* Max # of buffer held by driver */

  ...
};

int netdev_lower_register(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev,
                          enum net_lltype_e lltype);
int netdev_lower_unregister(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);
int netdev_lower_carrier_on(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);
int netdev_lower_carrier_off(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);

void netdev_lower_rxready(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);
void netdev_lower_txdone(FAR struct netdev_lowerhalf_s *dev);

五、特殊网卡支持

openvela 网络协议栈支持多种特殊网卡，适用于虚拟化和嵌入式场景。以下是支持的特殊网卡类型：

RNDIS（远程网络驱动接口规范）。
CDCNCM（USB 通信设备类 - 网络控制模型）。
CDCMBIM（USB 通信设备类 - 多路广播接口模型）。
SLIP（串行线路 IP）。
TUN（虚拟网络设备）。
VirtIO-Net（虚拟化网络设备）。