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2024 年 12 月 24 日

FreeRTOS-Plus-TCP 的设计：第 1 部分——整体情况

本帖由 Nikhil Kamath 于 2024 年 12 月 24 日发布

多年来，FreeRTOS-Plus-TCP 一直是嵌入式系统中广受欢迎的 TCP/IP 协议栈。本系列博客将深入介绍 FreeRTOS-Plus-TCP (v4.x.x)，将其架构和内部工作原理分解成易于理解的部分。虽然您可以在不了解这些细节的情况下启动并运行 FreeRTOS-Plus-TCP 应用程序，但了解协议栈如何与您的应用程序代码进行交互将提供宝贵的见解，尤其是在微调配置选项以提高性能或为特定需求定制行为时。本系列博客假设读者对网络概念有基本的了解。如果您需要复习这些概念或是新手，我们建议您查看我们的网络术语表：https://freertos.org/FreeRTOS-Plus/FreeRTOS_Plus_TCP/networking_basics.html

图 1.FreeRTOS-Plus-TCP 高级结构

打好基础

在深入探讨 TCP 握手和数据包传输的复杂细节之前，让我们先建立对基本构建单元的扎实理解。可以将 FreeRTOS-Plus-TCP 想象为一个组织严密的团队，每个成员都有其专门的职责：

IP 任务：

团队的领导者，负责协调所有网络活动。IP 任务运行 TCP/IP 协议栈。它：

• 处理网络事件： 处理来自网卡（NIC）驱动程序（如新数据包到达）和套接字 API（如应用程序要发送数据）的事件。
• 管理定时器： 跟踪各种协议的超时时间（例如，ARP 缓存条目、DHCP 租约续订、TCP 重传）。
• **处理套接字请求：**IP 任务接收应用程序任务通过套接字 API 发出的请求。它处理这些请求， 管理每个套接字的状态，分配和释放网络缓冲区，并确保线程安全操作。

套接字 API：

作为应用程序与 IP 任务之间的通信桥梁，它提供以下功能：

• 创建套接字： 建立用于发送和接收数据的通信端点。
• 发送和接收数据： 向其他设备传输数据或从其他设备接收数据。
• 建立和管理 TCP 连接： 连接服务器、监听传入连接以及接受客户端连接。

套接字 API 负责处理与 IP 任务交互的底层细节，使您能够专注于应用程序逻辑。

网络事件队列：

可以将其想象为 IP 任务办公室外的一条井然有序的队列。网络接口（特别是接收任务）和套接字 API 都使用这个队列向 IP 任务传递消息和请求。这样可以确保 IP 任务能够以结构化的方式逐一处理所有事件，避免多个任务同时使用网络时可能产生的冲突或混乱。

FreeRTOS-Plus-TCP 协议套件：

这是整个操作的核心，包含 TCP/IP 协议栈的核心模块。它包括负责以下功能的模块：

• ARP（地址解析协议）： 类似于电话簿，将 IP 地址（逻辑地址）转换为 MAC 地址（物理地址）。
• **DHCP（动态主机配置协议）：**自动从 DHCP 服务器获取 IP 配置（如设备的 IP 地址、子网掩码等）。
• ICMP（互联网控制消息协议）： 管理错误消息以及著名的“ping”实用程序。
• UDP（用户数据报协议）： 负责无连接的数据报通信，数据包无需建立正式连接即可发送。
• **TCP（传输控制协议）：**可靠的面向连接通信的主力，采用了以下机制：
  • 滑动窗口： 通过允许数据包无序到达并按正确顺序重新组装来提高效率。
  • 重传： 通过重新发送丢失或损坏的数据包，确保数据可靠送达。
  • 存活： 定期检查连接是否仍然有效。
• **DNS（域名系统）：**将人类可读的域名（如 www.freertos.org）转换为 IP 地址。

网络接口：

可以将其视为现场代理，直接与物理网络硬件（例如以太网控制器）交互。其任务包括：

• **网络接口驱动程序：**该软件组件充当 FreeRTOS-Plus-TCP 协议栈与实际硬件（以太网控制器）之间的翻译器。它负责处理以下任务：
  • 发送和接收以太网帧：通过网络传输的原始数据包。
  • 管理链路状态：跟踪网络电缆是否连接以及连接是否处于活动状态。
  • 配置硬件功能：初始化和配置网络接口硬件，与 PHY 进行配置和协商，设置网络硬件的特定功能。
• **接收任务：**这个专用任务在后台默默工作，不断等待传入的网络流量：
  • 处理网络中断：当数据包到达时，硬件会触发中断。该任务立即行动，将数据包数据抓取到网络缓冲区中，并将其推送到网络事件队列中，以便 IP 任务进一步处理。 此外，接收任务会分析接收到的数据包数据，以确定网络接口上最合适的端点与网络缓冲区关联。在硬件发出传输完成中断时，接收任务会释放已提交的网络缓冲区，将其返回到空闲缓冲区池中。
  • 定期网络检查：如果在一定时间内没有发生中断，接收任务会执行检查，以确认网络链路是否仍然正常运行。它会相应地更新 FreeRTOS+TCP 的网络状态。
  • 为 IP 任务准备数据：接收任务将数据整齐地打包到网络缓冲区（一种用于保存网络数据包的特殊容器）中，并添加重要的元数据。然后，它将此数据包发送给 IP 任务进行进一步处理。

网络缓冲区管理：

可以将其视为物流专家，负责高效地管理网络数据包的存储空间。它提供：

• 网络缓冲区池： 可以将这些缓冲区视为用于存储以太网帧的容器。
• **缓冲区分配和释放功能：**确保在需要时缓冲区随时可用，并在使用后进行回收。

任务优先级和线程安全：

FreeRTOS-Plus-TCP 专注于线程安全，这意味着它可以处理多个使用网络的任务，而不会出现混乱。网络事件队列是其中的关键部分，允许 IP 任务按顺序处理所有事项。

为了确保系统平稳运行，建议的任务优先级为： **最高优先级：**接收任务：此任务具有最高优先级，因为它直接响应硬件中断。它需要快速处理传入的数据包，以便网络接口为接收下一个数据包做好准备。 **中等优先级：**IP 任务：IP 任务也非常重要，但它处理更为复杂的操作，因此其优先级稍低。这允许接收任务在不受干扰的情况下执行其作业。 **最低优先级：**应用程序任务：使用套接字 API 发送和接收数据的应用程序任务以最低优先级运行。这样可以防止它们干扰高优先级任务处理的时间敏感网络操作。

数据包的旅程

假设您正在从 FreeRTOS-Plus-TCP 设备发送一条消息：

1. 您的应用程序调用 FreeRTOS_send()（用于 TCP）或 FreeRTOS_sendto()（用于 UDP）来传输数据。
2. 套接字 API 队列请求：套接字 API 打包请求，包括数据和目标信息，并通过网络事件队列将其发送给 IP 任务。对于 TCP，数据被添加到套接字的传输缓冲区。对于 UDP （没有零拷贝），数据被复制到网络缓冲区。使用 UDP 零拷贝时，缓冲区只需准备好发送即可。
3. IP 任务接收到请求，检查目标地址，并可能使用 ARP 来解析 MAC 地址。
4. 对于 TCP，IP 任务从缓冲区管理模块检索网络缓冲区，并用 TCP 流缓冲区中的数据填充该缓冲区。对于 UDP，直接通过套接字 API 获取网络缓冲区，并传递给 IP 任务，后者使用它进行进一步处理。
5. IP 任务将数据和目标信息传递给相应的协议模块（TCP 或 UDP）。
6. 协议模块准备数据以进行传输：
   1. TCP：如果数据超过最大段大小（MSS），则将其分成多个段。
   2. UDP：将数据视为单个数据报。
   3. 校验和计算：协议模块（TCP 或 UDP）向数据添加其标头。如果未启用校验和卸载，协议模块将计算并设置校验和。如果启用了卸载，NIC 驱动程序将处理校验和计算。
7. IP 任务通过添加 IP 标头和协议数据（TCP 或 UDP 段/数据报）来准备网络缓冲区。
8. 网络缓冲区被移交给 NIC 驱动程序，后者计算校验和（如果启用了）并将数据作为以太网帧发送。

接收过程与上述步骤相反，NIC 驱动程序将收到的帧传递给 IP 任务，后者解码数据并通过套接字 API 将其传递给应用程序。

接下来……

在下一篇文章中，我们将揭秘 IP 任务如何处理事件、管理定时器，并确保整个 FreeRTOS-Plus-TCP 协议栈平稳运行。敬请期待！

致谢

如果没有 AWS 同事们的支持，这篇博客就不可能完成。特别感谢 Actory Ou 和 Tony Josi，他们为图表编制提供了宝贵的帮助，并进行了详尽的审阅。