《嵌入式Linux网路体系结构设计与TCP/IP协定栈》是2011年5月电子工业出版社出版的图书，作者是单立平。本书涵盖了Linux嵌入式系统开发网路体系结构实现的主要内容。
基本介绍
- 书名：嵌入式Linux网路体系结构设计与TCP/IP协定栈
- 作者：单立平
- ISBN：978-7-121-12976-6
- 类别：计算机
- 页数：480
- 定价：69元
- 出版社：电子工业出版社
- 出版时间：2011年5月出版
- 开本：16开
- 定价：69.00元
内容简介
本书涵盖了Linux嵌入式系统开发中网路体系结构实现的主要内容。
全书共分12章，第1章概述Linux核心组件与核心技术特点，以及网路体系结构实现套用到的核心开发的基础知识。第2～5章在介绍了实现网路体系结构、协定栈、设备驱动程式的两个最重要的数据结构sk_buff和net_device的基础上，展示了Linux核心中为网路设备驱动程式设计和开发而建立的系统构架，最后以两个实例来具体说明如何着手开发网路设备驱动程式，数据在硬体设备上的接收和传送过程。第6章讨论了网路协定栈中数据链路层收发数据的设计和实现，以及硬体层与协定层之间的接口。第7章讲解了网路层IP协定的实现。第8～9章介绍传输层数据收发过程，重点介绍基于套接字的TCP/UDP传输实现。第10章讨论了Linux核心套接字层的实现，以及套接字层与套用层、传输层之间的接口。第11章介绍网路套用软体的开发技术，以及核心对网路套用的支持。第12章讲解在嵌入式系统开发中如何将硬体驱动程式、核心代码、应用程式集成在一起下载至晶片中，形成嵌入式可运行的系统，作为全书的总结。
本书可以作为高等院校计算机、通信专业学生学习作业系统的参考书，也可以作为从事嵌入式、计算机行业的工程技术人员的参考书。
前言
无论现在或将来，网路都是一个热门的主题。目前几乎所有的电子产品都具备不同程度的网路功能。网路功能的强弱和灵活度与其使用的作业系统对网路的支持程度有直接的关係。Linux作业系统从开发之初就是在Internet环境下实现的，网路子系统是Linux系统中最重要、最具特色的子系统之一，Linux核心中网路子系统在体系结构设计上的合理与灵活，使其可以任意地在现有Linux核心协定栈的基础上实现新的网路协定、网路功能特色、对新网路适配器硬体的支持。
Linux 是开放原始码的系统，随着它的技术越来越完善，Linux的套用也越来越普及，现在更多的产品都选择把Linux作为其嵌入的作业系统。在全世界有无以计数的计算机研发人员和爱好者在使用、测试Linux作业系统，为Linux系统开发新的套用，使Linux的技术日趋完美。
使用Linux作为研发平台，与使用别的作业系统不一样，只能通过其提供的套用编程接口（API）函式来完成，无法清楚地了解其内部的实现原理，也就无法更好地在研究过程中对性能、效率等实施控制，有时为了满足套用的需求，需要费很大的周折。特别是做嵌入式开发时，更需要依据手上的资源和成本要求对开发过程实施控制。
Linux是开放源码的系统，可以通过学习和研究掌握其内部的实现，这无论对科研、学习还是系统开发都能带来巨大的好处，这样才能根据需要量体裁衣，定製自己所需的作业系统，去掉多余的功能，只保留最有效、最适用的部分。Linux核心的网路功能更是如此，网路子系统具有大量的可选功能，如防火墙功能、路由功能等，不是每个设备都需要配备所有的这些功能，特别是在嵌入式系统，配置Linux核心组件就显得尤其重要。
Linux网路体系结构比Linux核心中其他组件理解起来更困难，原因在于网路任务的实现被划分为好几个阶段，在不同的时间由不同的代码和进程来实现。如何将这些片段连在一起，各阶段之间的接口是什幺，是研究Linux网路体系结构的一个难点。
笔者多年从事嵌入式Linux网路系统产品开发，在这个过程中了解到嵌入式系统的开发涉及硬体驱动、作业系统核心和系统套用3个层次。最终的嵌入式产品需要将以上3个部分集成，形成一个完整的执行档，下载至嵌入式晶片中。本书的目的就是以Linux核心的网路子系统为纵向线索，以Linux核心TCP/IP协定在网路子系统中的实现为实例，把与嵌入式网路套用开发相关的技术知识组织在一起，来讲解嵌入式Linux系统的套用开发技术、核心支持和硬体驱动程式开发的完整过程，以形成相关知识领域的完整体系结构，这样读者在研发过程中套用起来更得心应手。无论在做哪个部分的研发和学习：套用、核心、驱动程式，都能清楚地知道自己在做什幺，上下之间如何联繫。
Linux核心网路子系统的功能特色多，代码分散，所以本书的一个重要目的就是清楚地解释Linux核心中网路子系统的主要功能特色、设计原理和实现流程，并告诉读者如何跟蹤分析其内部C原始码，如何将不同的代码实现片段串连在一起，并展示其函式功能和数据结构的相互关係，从而对具体的研究过程起到指导和帮助作用。Linux核心TCP/IP协定栈的实现技术是学习和研究作业系统中网路子系统的一个很好的样本和实例。
全书共分12章，按照TCP/IP协定栈分层结构，从如何驱动硬体、网路数据在TCP/IP协定栈中如何传送/接收，到网路应用程式开发技术，最后如何形成嵌入式集成系统的思路来安排各章节的内容。本书由电子科技大学教授、博士生导师罗蕾担任主审，罗蕾教授对本书的编写予以积极支持和认真指导，她仔细地审阅了书稿，提出许多宝贵意见，在此谨向罗蕾教授表达衷心的感谢。在本书编写过程中，还得到了电子工业出版社张春雨老师等的支持和帮助，谨向他们表示诚挚的谢意。
本书主要由单立平编着，其他参与编写的人员有姜云舟、单根全、单宏伟、王雪梅等。
由于本人水平有限，对书中的错误和不足之处，恳请广大读者批评指正，笔者将不胜感激。
编 着 者
目录
第1章 概述 1
1.1 Linux核心组件 1
1.2 Linux核心中的活动 3
1.2.1 进程和系统调用 3
1.2.2 硬体中断 4
1.2.3 tasklet 6
1.2.4 workqueue 6
1.2.5 软体中断 7
1.3 互斥机制 7
1.3.1 spin lock 8
1.3.2 读－写 spin lock 10
1.3.3 读－複製－更新（Read-Copy-Update，RCU） 10
1.4 核心模组（module） 11
1.4.1 管理核心模组 11
1.4.2 自动装载模组 12
1.4.3 模组功能的注册和取消 13
1.4.4 在模组装载时给模组传递参数 14
1.4.5 核心和模组的符号表 14
1.5 记忆体资源 15
1.5.1 高速缓冲区（memory cache） 15
1.5.2 高速快取和哈希鍊表 16
1.6 时间管理 16
1.7 嵌入式的挑战 17
1.8 本章总结 18
第2章 Linux网路包传输的关键数据结构——Socket Buffer 19
2.1 Socket Buffer 设计概述 19
2.1.1 Socket Buffer与TCP/IP协定栈 19
2.1.2 Socket Buffer的对外接口 20
2.1.3 Socket Buffer的特点 20
2.2 Socket Buffer的构成 20
2.2.1 Socket Buffer的基本组成 21
2.2.2 Socket Buffer穿越TCP/IP协定栈 22
2.3 sk_buff数据域的设计和含义 24
2.3.1 sk_buff 中的结构管理域 24
2.3.2 常规数据域 27
2.3.3 sk_buff 的网路功能配置域 32
2.4 操作sk_buff的函式 34
2.4.1 创建和释放Socket Buffer 35
2.4.2 数据空间的预留和对齐 40
2.4.3 複製和克隆 41
2.4.4 操作伫列的函式 43
2.4.5 引用计数的操作 44
2.4.6 协定头指针操作 44
2.5 数据分片和分段 45
2.5.1 为什幺要分割数据包 45
2.5.2 设计skb_shared_info数据结构的目的 46
2.5.3 操作skb_shared_info的函式 46
2.6 本章总结 47
第3章 网路设备在核心中的抽象——struct net_device数据结构 48
3.1 协定栈与网路设备 49
3.1.1 协定栈软体与网路设备硬体之间的接口 49
3.1.2 设备独立接口档案dev.c 50
3.1.3 设备驱动程式 51
3.1.4 struct net_device数据结构 51
3.2 struct net_device 数据结构 52
3.2.1 struct net_device数据结构的数据域 52
3.2.2 struct net_device数据结构的其他数据域 56
3.3 struct net_device数据结构中数据域的功能分类 63
3.3.1 设备管理域 64
3.3.2 设备配置管理域 64
3.3.3 设备状态 65
3.3.4 统计 65
3.3.5 设备鍊表 66
3.3.6 链路层组传送 66
3.3.7 流量管理 66
3.3.8 常规域 69
3.3.9 操作函式结构 69
3.4 函式指针 69
3.4.1 设备初始化 70
3.4.2 传送 71
3.4.3 硬体协定头 71
3.4.4 网路统计状态 73
3.4.5 修改配置 73
3.5 本章总结 74
第4章 网路设备在Linux核心中识别 75
4.1 核心初始化的特点 76
4.1.1 命令行参数 76
4.1.2 网路子系统的命令行参数 78
4.2 核心启动过程 80
4.2.1 用do_initcall函式完成的初始化 83
4.2.2 标记初始化函式的宏 84
4.2.3 网路子系统初始化 85
4.2.4 网路设备的初始化 86
4.3 网路设备的注册和struct net_device数据结构实例的初始化 88
4.3.1 初始化函式的任务 88
4.3.2 网路设备的注册和注销 92
4.3.3 网路设备的引用计数（reference count） 97
4.3.4 允许和禁止网路设备 98
4.4 网路设备的管理 99
4.4.1 管理网路设备的鍊表 99
4.4.2 网路设备的搜寻函式 101
4.5 事件通知链 102
4.5.1 事件通知链构成 103
4.5.2 注册回调函式到事件通知链 104
4.5.3 通知子系统有事件发生 106
4.5.4 网路子系统中的事件通知链 107
4.5.5 网路子系统传送的事件 108
4.6 本章总结 108
第5章 网路设备驱动程式 109
5.1 网路设备驱动程式概述 109
5.1.1 网路设备驱动程式的任务 110
5.1.2 网路设备驱动程式的构成 110
5.2 网路设备与核心的互动 113
5.2.1 设备与核心的互动方式 113
5.2.2 硬体中断 115
5.2.3 中断在核心的实现 117
5.2.4 软体中断 120
5.3 网路设备驱动程式的实现 127
5.3.1 网路适配器的初始化 127
5.3.2 网路设备活动功能函式 132
5.3.3 网路设备管理函式 143
5.3.4 在适配器中支持组传送 145
5.4 CS8900A网路适配器驱动程式的实现 149
5.4.1 CS8900A网路控制晶片的功能概述 149
5.4.2 CS8900A的PacketPage结构 151
5.4.3 CS8900A的操作 153
5.4.4 CS8900A设备驱动程式分析 157
5.5 本章总结 167
第6章 数据链路层数据帧的收发 168
6.1 关键数据结构 170
6.1.1 struct napi_struct数据结构 170
6.1.2 struct softnet_data数据结构 171
6.2 数据帧的接收处理 173
6.2.1 NAPI的实现 174
6.2.2 netif_rx函式分析 178
6.3 网路接收软体中断 182
6.3.1 net_rx_action的工作流程 182
6.3.2 net_rx_action函式的实现细节 183
6.3.3 从输入伫列中读取数据帧 185
6.3.4 处理输入数据帧 186
6.4 数据链路层与网路层的接口 190
6.4.1 输入数据帧协定解析 190
6.4.2 实现数据链路层与网路层接口的关键数据结构 192
6.4.3 接口的组织 194
6.5 数据链路层对数据帧传送的处理 196
6.5.1 启动/停止设备传送数据 197
6.5.2 调度设备传送数据帧 198
6.5.3 伫列策略接口 200
6.5.4 dev_queue_xmit函式 203
6.5.5 传送软体中断 206
6.5.6 Watchdog时钟 209
6.6 本章总结 211
第7章 网路层传送 212
7.1 Internet协定的基本概念 213
7.1.1 Internet协定的任务 213
7.1.2 Internet 协定头 214
7.1.3 Linux核心中描述IP协定头的数据结构 217
7.2 IP协定实现前的準备工作 217
7.2.1 协定初始化 217
7.2.2 与网路过滤子系统的互动 219
7.2.3 与路由子系统的互动 220
7.3 输入数据包在IP层的处理 220
7.3.1 ip_rcv函式分析 221
7.3.2 ip_rcv_finish函式分析 224
7.3.3 接收操作中IP选项的处理 226
7.4 IP选项 228
7.4.1 IP选项的格式 228
7.4.2 描述IP选项的数据结构 234
7.4.3 Linux核心对IP选项的处理 235
7.4.4 Linux核心对IP选项处理的具体实现 237
7.5 IPv4数据包的前送和本地传送 245
7.5.1 数据包的前送 245
7.5.2 dst_output函式的实现 249
7.5.3 本地传送的处理 250
7.6 在IP层的传送 254
7.6.1 执行传送的关键函式 255
7.6.2 传送数据包相关信息的数据结构 256
7.6.3 ip_queue_xmit函式 260
7.6.4 ip_append_data函式预备 264
7.6.5 ip_append_data函式分析 274
7.6.6 ip_append_page 函式 279
7.6.7 ip_push_pending_frames函式 280
7.6.8 传送数据包的整体过程 282
7.7 与相邻子系统的接口 284
7.8 数据包的分片与重组 286
7.8.1 数据分片需要考虑的问题 287
7.8.2 在上层分片的效率 287
7.8.3 数据包分片/重组使用的IP 协定头数据域 287
7.9 本章总结 288
第8章 传输层UDP协定的实现 289
8.1 UDP协定基础 289
8.2 UDP协定实现的关键数据结构 290
8.2.1 UDP协定头的数据结构 290
8.2.2 UDP的控制缓冲区 290
8.2.3 UDP套接字的数据结构 291
8.2.4 应用程式传送给UDP负载数据的数据结构 291
8.3 UDP、套接字层、IP层之间的接口 292
8.3.1 UDP协定实例与套接字层间的接口 292
8.3.2 UDP协定与IP层之间的接口 293
8.4 传送UDP数据报的实现 294
8.4.1 初始化一个连线 294
8.4.2 在UDP套接字上传送数据包 297
8.4.3 向IP层传送数据包 301
8.4.4 从用户地址空间複製数据到数据报 304
8.5 UDP 协定接收的实现 305
8.5.1 UDP协定接收的处理函式 305
8.5.2 将数据包放入套接字接收伫列的处理函式 307
8.5.3 UDP协定接收广播与组传送数据包 308
8.5.4 UDP的哈希鍊表 309
8.5.5 将数据包放到套接字接收伫列 312
8.6 UDP协定在套接字层的接收处理 313
8.6.1 函式输入参数 313
8.6.2 函式处理流程 313
8.7 本章总结 315
第9章 传输层TCP协定的实现 316
9.1 CP协定简介 316
9.1.1 CP是可靠协定 316
9.1.2 TCP是面向连线的协定 318
9.1.3 TCP是按位元组流交换的协定 319
9.1.4 TCP协定实现的功能 320
9.2 描述TCP协定实现的关键数据结构 320
9.2.1 TCP协定头数据结构 320
9.2.2 TCP的控制缓冲区 321
9.2.3 TCP套接字的数据结构 322
9.2.4 TCP协定选项Options 323
9.2.5 套用层传送给传输层信息的数据结构 325
9.3 在TCP协定、套接字、IP层之间的接口 326
9.3.1 管理套接字与TCP接口的数据结构 326
9.3.2 初始化套接字与传输层之间的接口 327
9.3.3 TCP与IP层之间的接收接口 328
9.3.4 TCP与IP层之间的传送接口 329
9.3.5 初始化TCP 套接字 331
9.4 TCP协定实例接收过程的实现 332
9.4.1 tcp_v4_rcv函式的实现 333
9.4.2 Fast Path和prequeue伫列的处理 338
9.4.3 处理TCP的Blocklog 伫列 340
9.4.4 套接字层的接收函式 342
9.5 Linux 核心中TCP传送功能的实现 348
9.5.1 将数据从用户地址空间複製到核心Socket Buffer 349
9.5.2 TCP 数据段输出 354
9.5.3 传送过程的状态机 358
9.6 TCP套接字的连线管理 358
9.6.1 TCP连线初始化 361
9.6.2 TCP状态从CLOSED切换到SYN_SENT 362
9.6.3 TCP连线的状态管理 365
9.6.4 TCP连线为ESTABLISHED状态时的接收处理 370
9.6.5 TCP的TIME_WAIT状态处理 374
9.7 本章总结 379
第10章 套接字层实现 380
10.1 套接字概述 380
10.1.1 什幺是套接字 381
10.1.2 套接字与管理套接字的数据结构 383
10.1.3 套接字与档案 390
10.2 套接字层的初始化 391
10.3 地址族的值和协定交换表 392
10.3.1 协定交换表的数据结构 392
10.3.2 套接字支持多协定栈的实现 393
10.4 IPv4中协定成员注册和初始化 396
10.5 套接字API系统调用的实现 397
10.5.1 系统调用简述 397
10.5.2 套接字API系统调用的实现 398
10.6 创建套接字 403
10.6.1 sock_create函式创建套接字 404
10.6.2 协定族套接字创建函式的管理 406
10.6.3 AF_INET套接字的创建 407
10.7 I/O系统调用和套接字 408
10.8 本章总结 409
第11章 套用层——网路套用套接字编程 411
11.1 套接字描述符 413
11.1.1 family参数 413
11.1.2 type 参数 413
11.1.3 protocol 参数 414
11.1.4 AF_XXX与PF_XXX形式的常数 414
11.2 地址格式 416
11.2.1 位元组顺序 416
11.2.2 地址结构 417
11.2.3 支持地址格式转换的函式 419
11.2.4 获取网路配置信息 419
11.2.5 编程示例 423
11.2.6 将地址与套接字绑定 426
11.3 套接字连线 427
11.3.1 connect函式分析 427
11.3.2 伺服器套接字建立侦听伫列 428
11.3.3 建立套接字连线 429
11.4 数据的传送 430
11.4.1 send函式 430
11.4.2 传送数据的函式 431
11.4.3 接收数据的函式 432
11.4.4 recvfrom、recvmsg函式 432
11.4.5 编程示例 433
11.5 套接字选项 441
11.5.1 设定套接字选项 441
11.5.2 读取套接字选项 442
11.6 out-of-band 数据 443
11.7 非阻塞和异步I/O操作 444
11.8 本章总结 444
第12章 嵌入式系统网路套用技术 445
12.1 嵌入式系统的设计要素 445
12.2 嵌入式系统开发环境的构成 445
12.2.1 硬体构成 446
12.2.2 典型的硬体开发环境 447
12.2.3 软体交叉平台开发环境 448
12.2.4 嵌入式软体的开发步骤 448
12.3 将网路设备驱动程式加入核心 450
12.3.1 配置新网路设备 450
12.3.2 编译新驱动程式 451
12.4 核心配置 452
12.4.1 目标硬体及核心、库配置 452
12.4.2 核心组件配置 454
12.4.3 套用配置 459
12.5 集成应用程式并下载至目标板 460
12.5.1 集成应用程式 460
12.5.2 将执行档案下载至目标板 461
12.6 本章总结 462