RK3588 kernel-6.1 net 网络架构与协议栈分析

1. 分析范围

本文基于：

• rk3588/kernel-6.1/net

目标：

• 梳理 net 子系统总体分层架构
• 解释 Linux 网络协议栈主数据路径（收包、发包、转发）
• 给出 TCP/UDP 在 IPv4 栈中的关键调用链
• 说明 Netfilter、路由子系统在主路径中的切入点

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2. net 目录的总体分层

从 net/Makefile 可见网络栈是模块化分层组织：

1. 套接字与核心层
   • socket.c、core/
   • 提供 socket 系统调用入口、sk_buff 收发调度、NAPI/软中断处理。
2. 协议层
   • ipv4/、ipv6/、tcp/udp 等协议实现
   • 负责 L3/L4 协议处理、连接管理、分片重组、拥塞控制等。
3. 策略与过滤层
   • netfilter/、xfrm/
   • 提供防火墙/NAT/连接跟踪/IPsec 等路径钩子和策略。
4. 链路与扩展层
   • packet/、bridge/、8021q/、wireless/ 等
   • 覆盖二层、虚拟网络、隧道、交换与无线子系统。

可概括为：socket API -> L4/L3 协议栈 -> netdevice 数据平面 -> 驱动硬件。

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3. 用户态到内核网络入口（net/socket.c）

socket() 系统调用会进入：

• SYSCALL_DEFINE3(socket) -> __sys_socket() -> sock_create()
• sock_create() 最终调用 __sock_create()

__sock_create() 的关键动作：

1. 根据 family/type/protocol 选择协议族（如 PF_INET）
2. 通过 net_families[family] 找到 net_proto_family
3. 调用该 family 的 create()（IPv4 对应 inet_create()）

因此 socket 层只是统一门面，真正协议实例化由各协议族完成。

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4. IPv4 协议族装配（net/ipv4/af_inet.c）

af_inet.c 中定义了 IPv4 的协议族与协议分发表：

• inet_family_ops.create = inet_create
• inetsw_array[] 注册 SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM 等与 tcp_prot/udp_prot 的映射
• inet_add_protocol() 把 tcp_v4_rcv、udp_rcv 挂到 IPv4 协议号分发表

inet_init() 初始化时会完成：

1. proto_register(&tcp_prot) / proto_register(&udp_prot)
2. sock_register(&inet_family_ops)
3. 协议处理函数与传输协议绑定

这一步决定了“协议号 -> 处理函数”的分发关系。

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5. 收包主路径（RX Path）

5.1 从驱动到协议栈

驱动/NAPI 把 skb 上送后，核心路径进入 net/core/dev.c：

• netif_receive_skb() -> netif_receive_skb_internal() -> __netif_receive_skb()
• 核心分发逻辑在 __netif_receive_skb_core()

这里会做：

• L2 类型分发（packet_type）
• tc/ingress 等处理
• 把 ETH_P_IP 包送入 IPv4 入口（ip_rcv）

5.2 IPv4 接收处理

net/ipv4/ip_input.c 中：

• ip_rcv() 经 NF_INET_PRE_ROUTING 钩子后进入 ip_rcv_finish
• ip_rcv_finish_core() 做路由查找（ip_route_input_noref）、选项处理、early demux

然后按路由类型分流：

1. 目的本机：ip_local_deliver()
2. 需要转发：ip_forward()

ip_local_deliver() 会先处理分片重组（ip_defrag），再经 NF_INET_LOCAL_IN，最后进入 ip_local_deliver_finish()，按协议号分发到 tcp_v4_rcv/udp_rcv 等。

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6. 发包主路径（TX Path）

6.1 L4 到 IPv4 输出

TCP 发送常见路径：

• tcp_sendmsg() -> ip_queue_xmit() -> __ip_queue_xmit()

UDP 发送常见路径：

• udp_sendmsg() -> 路由选择（ip_route_output_flow）-> ip_local_out()

6.2 IPv4 输出与 Netfilter

net/ipv4/ip_output.c 中：

• ip_local_out() / __ip_local_out() 在发送前构建 IP 头与校验
• 通过 NF_INET_LOCAL_OUT 钩子
• ip_output() / ip_finish_output() 经过 NF_INET_POST_ROUTING
• 最终下沉到邻居子系统与设备发送队列

6.3 进入设备发送队列

net/core/dev.c：

• __dev_queue_xmit() 选择 tx queue/qdisc
• 调用 qdisc enqueue 或 dev_hard_start_xmit() 进入网卡驱动

这就是从协议栈到 NIC 的统一发送出口。

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7. 转发路径（Forwarding）

ip_forward()（net/ipv4/ip_forward.c）是三层转发核心：

1. TTL 检查与递减
2. MTU/分片约束检查
3. 路由与策略校验
4. 通过 NF_INET_FORWARD 钩子
5. ip_forward_finish() -> dst_output() 发出

因此路由器模式下，转发路径与本机收发路径共享大量基础设施，但在 FORWARD 钩子上分叉。

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8. 路由子系统在协议栈中的位置

IPv4 路由核心在 net/ipv4/route.c，关键接口：

• 入方向：ip_route_input_noref()
• 出方向：ip_route_output_flow() / ip_route_output_key()
• FIB 查找：fib_lookup()

路由查找结果（dst/rtable）决定了：

• 包是本地交付、转发还是丢弃
• 发包下一跳和输出设备
• 后续 Netfilter 与邻居子系统行为

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9. TCP/UDP 协议栈关键路径

9.1 TCP

• 收包：tcp_v4_rcv() -> tcp_rcv_established()（快路径）
• 发包：tcp_sendmsg() -> ip_queue_xmit()
• 用户态读：tcp_recvmsg()

TCP 复杂度主要在连接状态机、重传、拥塞控制和确认机制；这些都建立在 IPv4 路由与 dev 队列机制之上。

9.2 UDP

• 收包：udp_rcv() -> __udp4_lib_rcv()
• 发包：udp_sendmsg()
• 用户态读：udp_recvmsg()

UDP 路径更短，无连接状态机，但依旧走同一套 IP 路由与 netdevice 发包框架。

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10. Netfilter 在主路径的切入点

IPv4 主路径中可见典型钩子：

• NF_INET_PRE_ROUTING（ip_rcv）
• NF_INET_LOCAL_IN（ip_local_deliver）
• NF_INET_FORWARD（ip_forward）
• NF_INET_LOCAL_OUT（ip_local_out）
• NF_INET_POST_ROUTING（ip_output）

这五个点构成了防火墙/NAT/conntrack 的核心挂载面。

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11. 架构总结

RK3588 kernel-6.1 的 net 架构可总结为：

• 统一入口层：socket.c 把系统调用映射到具体协议族。
• 协议分发层：af_inet.c 组织 IPv4 协议创建与 L4 分发。
• 数据平面核心层：net/core/dev.c 承担 RX/TX 主循环和与网卡驱动的衔接。
• 协议处理层：ipv4/ 中的 ip_input/ip_output/route/tcp/udp 形成完整 L3/L4 协议栈。
• 策略控制层：Netfilter/FIB/XFRM 在关键节点插入策略与转发决策。

一句话：net 子系统是“socket 抽象 + 协议栈处理 + 设备数据平面 + 策略钩子”协同工作的分层体系。