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

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• 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

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

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