《Linux Device Drivers》 第十七章 网络驱动程序——note

简介

网络接口是第三类标准Linux设备，本章将描述网络接口是如何与内核其余的部分交互的
网络接口必须使用特定的内核数据结构注册自身，以备与外界进行数据线包交换时调用
对网络接口的常用文件操作是没有意义的，因此在它们身上无法体现Unix的“一切都是文件”的思想
网络驱动程序异步自外部世界的数据包
网络设备向内核请求把外部获得的数据包发送给内核
Linux内核中的网络子系统被设计成完全与协议无关
在网络世界中使用术语“octet”指一组8个的数据位，它是能为网络设备和协议所能理解的最小单位
协议头（header）是在数据包中的一系列字节，它将通过网络子系统的不同层

连接到内核

loopback.c、plip.c和e100.c
设备注册

驱动程序对每个新检测到的接口，向全局的网络设备链表中插入一个数据结构
<linux/netdevice.h>
struct net_device
struct net_device *alloc_netdev(int sizeof_priv, const char *name, void (*setup) (struct net_device *));

name是接口的名字，这个名字可以使用类似printf中%d的格式，内核将用下一个可用的接口号替代%d

<linux/etherdevie.h>

struct net_device *alloc_etherdev(int sizeof_priv);

光纤通道设备使用alloc_fcdev（<linux/fcdevice.h>）
FDDI设备使用alloc_fddidev（<linux/fddidevice.h>）
令牌环设备使用alloc_trdev（<linux/trdevice.h>）
register_netdev函数

初始化每个设备

example

ether_setup(dev);
dev->open = open_function;
dev->stop = release_function;
dev->set_config = config_function;
dev->hard_start_xmid = tx_function;
dev->do_ioctl = ioctl_function;
dev->get_stats = stats_function;
dev->rebuild_header = rebuild_header_function;
dev->hard_header = header_function;
dev->tx_timeout = tx_timeout_function;
dev->watchdog_timo = timeout;
dev->flags |= IFF_NOARP;
dev->features |= NETIF_F_NO_CSUM;
dev->hard_header_cache = NULL;

priv = netdev_priv(dev);

模块的卸载

unregister_netdev函数从系统中删除接口
free_netdev函数将net_device结构返回给系统

net_device结构细节

全局信息

char name[IFNAMSIZ];
unsigned long state;
struct net_device *next;
int (*init) (struct net_device *dev);

硬件信息

unsigned long rmem_end;
unsigned long rmem_start;
unsigned long mem_end;
unsigned long mem_start;
unsigned long base_addr;
unsigned char irq;
unsigned char if_port;
unsigned char dma;

接口信息

drivers/net/net_init.c
void ltalk_setup(struct net_device *dev);
void fs_setup(struct net_device *dev);
void fddi_setup(struct net_device *dev);
void hippi_setup(struct net_device *dev);
void tr_setup(struct net_device *dev);
unsigned short hard_header_len;

对以太网接口，该值是14

unsigned mtu;

最大传输单元，以太网的MTU是1500个octet

unsigned long tx_queue_len;
unsigned short type;

ARP使用type成员判断接口所支持的硬件地址类型
<linux/if_arp.h>

unsigned char addr_len;
unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN];
unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN];
unsigned short flags;
int features;

该标志成员是一个位掩码
IFF_前缀表示“接口标志”，有效的标志定义在<linux/if.h>

设备方法

网络接口的设备方法可划分为两个类型：基本的和可选的
基本方法

int (*open) (struct net_device *dev);
int (*stop) (struct net_device *dev);
int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev);
int (*hard_header) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, unsigned short type, void *daddr, void *saddr, unsigned len);
int (*rebuild_header) (struct sk_buff *skb);
void (*tx_timeout) (struct net_device *dev);
struct net_device_stats *(*get_stats) (struct net_device *dev);
int (*set_config) (struct net_device *dev, struct ifmap *map);

可选方法

int (*poll) (struct net_device *dev, int *quota);
void (*poll_controller) (struct net_device *dev);
int (*do_ioctl) (struct net_device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);
void (*set_multicast_list) (struct net_device *dev);
int (*set_mac_address) (struct net_device *dev, void *addr);
int (*change_mtu) (struct net_device *dev, int net_mtu);
int (*header_cache) (struct neighbour *neigh, struct hh_cache *hh);
int (*header_cache_update) (struct hh_cache *hh, struct net_device *dev, unsigned char *haddr);
int (*hard_header_parse) (struct sk_buff *skb, unsigned char *haddr);

工具成员

unsigned long trans_start;
unsigned long last_rx;
int watchdog_timeo;
void *priv;
struct dev_mc_list *mc_list;
int mc_count;
spinlock_t xmit_lock;
int xmit_lock_owner;

打开和关闭

在使用ifconfig向接口赋予地址时，要执行两个任务

首先，通过ioctl(SIOCSIFADDR)赋予地址
然后，通过ioctl(SIOCSIFFLAGS)设置dev->flag中的IFF_UP标志以打开接口

对设备而言，无需对ioctl（SIOCSIFADDR）做任何工作，后一个命令会调用设备的open方法
在接口被关闭时，ifconfig使用ioctl(SIOSIFFLAGS)来清除IFF_UP标志，然后调用stop函数
此外，还要执行其他一些步骤

首先，在接口有够和外界通讯之前，要将硬件地址（MAC）从硬件设备复制到dev->dev_addr
应该启动接口的传输队列

void netif_start_queue(struct net_device *dev);

数据包传输

无论何时内核要传输一个数据包，它都会调用驱动程序的hard_start_transmit函数将数据放入外发队列
内核处理的每个数据包位于一个套接字缓冲区结构（sk_buff）中，该结构定义在<linux/skbuff.h>中
传递经全hard_start_xmit的套接字缓冲区包含了物理数据包，并拥有完整的传输层数据包头
该传输函数只执行了对数据包的一致性检查，然后通过硬件相关的函数传输数据
如果执行成功，则hard_start_xmit返回0
控制并发传输

通过net_device结构中的一个自旋锁获得并发调用时的保护
实际的硬件接口是异步传输数据包的，而且可用来保存外发数据包的存储空间非常有限
void netif_wake_queu(struct net_device *dev);

通知网络系统可再次开始传输数据包

void netif_tx_disable(struct net_device *dev);

禁止数据包的传送

传输超时

如果当前的系统时间超过设备的trans_start时间至少一个超时周期，网络层将最终调用驱动程序的tx_timeout函数

Scatter/Gather I/O

在网络上为传输工作创建数据包的过程，包括了组装多个数据片段的过程
如果负责发送数据包的网络接口实现了分散/聚焦I/O，则数据包就不用组装成一个大的数据包
分散/聚焦I/O还能用“零拷贝”的方法，把网络数据直接从用户缓冲区内传输出来
如果在device结构中的feature成员内设置了NETIF_F_SG标志位，内核才将分散的数据包传递给hard_start_xmit函数
struct skb_frag_struct

struct page *page;
__u16 page_offset;
__u16 size;

数据包的接收

从网络上接收数据要比传输数据复杂一点，因为必须在原子上下文中分配一个sk_buff并传递给上层处理
网络驱动程序实现了两种模式接收数据包：中断驱动方式和轮询方式
过程

第一步是分配一个保存数据包的缓冲区

dev_alloc_skb

检查dev_alloc_skb函数的返回值
一旦拥有一个合法的skb指针，则调用memcpy将数据包数据拷贝到缓冲区内
最后，驱动程序更新其统计计数器

接收数据包过程中的最后一个步骤由netif_rx执行

中断处理例程

接口在两种可能的事件下中断处理器

新数据包到达
外发数据包的传输已经完成

通常中断例程通过检查物理设备中的状态寄存器，以区分新数据包到达中断和数据传输完毕中断
传输结束时，统计信息要被更新，而且要将套接字缓冲区返回全系统

dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb);
dev_kfree_skb_irq(struct sk_buff *skb);
dev_kfree_skb_any(struct sk_buff *skb);

不使用接收中断

为了能提高Linux在宽带系统上的性能，网络子系统开发者创建了另外一种基于轮询方法的接口（称之为NAPI）
停止使用中断会减轻处理器的负荷
struct net_device的poll成员必须设置为驱动程序的轮询函数
当接口通知数据到达的时候，中断程序不能处理该数据包，相反它还要禁止接收中断，并且告诉内核，从现在开始启动轮询接口
用netif_receive_skb函数将数据包传递给内核，而不是使用netif_rx
调用netif_rx_complete关闭轮询函数

链路状态的改变

大多数涉及实际的物理连接的网络技术提供载波状态信息，载波的存在意味着硬件功能是正常的
void netif_carrier_off(struct net_device *dev);
void netif_carrier_on(struct net_device *dev);
int netif_carrier_ok(struct net_device *dev);

用来检测当前的载波状态

套接字缓冲区

<linux/skbuff.h>
重要的成员

struct net_device *dev
union { /* … */ } h;
union { /* … */ } nh;
union { /* … */ } mac;
unsigned char *head;
unsigned char *data;
unsigned char *tail;
unsigned char *end;
unsigned int len;
unsigned int data_len;
unsigned char ip_summed;
unsigned char pkt_type;
shinfo (struct sk_buff *skb);
unsigned int shinfo(skb)->nr_frags;
skb_frag_t shinfo(skb)->frags;

操作套接字缓冲区的函数

struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int len, int priority);
struct sk_buff *dev_alloc_skb(unsigned int len);
void kfree_skb(struct sk_buff *skb);
void dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb);
void dev_kfree_skb_irq(struct sk_buff *skb);
void dev_kfree_skb_any(struct sk_buff *skb);
unsigned char *skb_put(struct sk_buff *skb, int len);
unsigned char *__skb_put(struct sk_buff *skb, int len);
unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, int len);
unsigned char *__skb_push(struct sk_buff *skb, int len);
int skb_tailroom(struct sk_buff *skb);
int skb_headroom(struct sk_buff *skb);
void skb_reserve(struct sk_buff *skb, int len);
unsigned char *skb_pull(struct sk_buff *skb, int len);
int skb_is_nonlinear(struct sk_buff *skb);
int skb_headlen(struct sk_buff *skb);
void *kmap_skb_frag(skb_frag_t *frag);
void kunmap_skb_frag(void *vaddr);

MAC地址解析

在以太网中使用ARP

ARP由内核维护，而以太网接口不需要做任何特殊工作就能支持ARP

重载ARP

如果设备希望使用常用的硬件头，而不运行ARP，则需要重载默认的dev->hard_header函数

非以太网头

硬件头中除目标地址之外，还包含其他一些信息，其中最重要的是通信协议
drivers/net/appletalk/cops.c
drivers/net/irda/smc_ircc.c
drivers/net/pp_generic.c

定制ioctl命令

当为某个套接字使用ioctl系统调用时，命令号是定义在<linux/sockios.h>中的某个符号
函数sock_ioctl直接调用一个协议相关的函数
任何协议层不能识别的ioctl命令都会传递到设备层
这些设备相关的ioctl命令从用户空间接受第三个参数，即一个struct ifreq *指针

<linux/if.h>

统计信息

驱动程序需要的最后一个函数是get_stats，这个函数返回设备统计结构的指针
struct net_device_stats

unsigned long rx_packets;
unsigned long tx_packets;
unsigned long rx_bytes;
unsigned long tx_bytes;
unsigned long rx_errors;
unsigned long tx_errors;
unsigned long rx_dropped;
unsigned long tx_dropped;
unsigned long collisions;
unsigned long multicast;

组播

对以太网而言，组播地址在目标地址的第一个octet的最低位设置为1,而所有设备板卡将自己的硬件地址的相应位清零
内核在任意给定时刻均要跟踪组播地址
驱动程序实现组播清单的方法，在某种程序上依赖于底层硬件的工作方式
通常来说，考虑组播时，硬件可划分为三类

不有处理组播的接口
能够区分组播数据包和其他数据包的接口
能够为组播地址进行硬件检测的接口

对组播的内核支持

对组播数据包的支持由如下几项组成：一个设备函数、一个数据结构以及若干设备标志
void (*dev_set_multicast_list) (struct net_device *dev);
struct dev_mc_list *dev->mc_list;
int dev->mc_count;
<linux/netdevice.h>
struct dev_mc_list

struct dev_mc_list *next
__u8 dmi_addr[MAX_ADDR_LEN];
unsigned char dmi_addrlen;
int dmi_users;
int dmi_gusers;

其他知识点详解

对介质无关接口的支持

介质无关接口（Media Independent Interface, MII）是一个IEEE802.3标准，它描述了以太网收发器是如何与网络控制器连接的
<linux/mii.h>
int (*mdio_read) (struct net_device *dev, int phy_id, int location);
void (*mdio_write) (struct net_device *dev, int phy_id, int location, int val);
drivers/net/mii.c

ethtool支持

ethtool是为系统管理员提供的用于控制网络接口的工具
只有当驱动程序支持ethtool时，使用ethtool才能控制包括速度、介质类型、双工操作、DMA设置、硬件检验、LAN唤醒操作在内的许多接口参数 http://sf.net/projects/gkernel/ <linux/ethtool.h>
struct ethtool_ops

Netpoll

它出现的目的是让内核在网络和I/O子系统尚不能完整可用时，依然能发送和接收数据包
用于网络控制台和远程内核调试
实现netpoll的驱动程序需要实现poll_controller函数，作用是在缺少设备中断时，还能对控制器做出响应