驅(qū)動(dòng)之路-網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)基本原理和框架

1.Linux網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

Linux網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的頂部是系統(tǒng)調(diào)用接口層。它為用戶空間提供的應(yīng)用程序提供了一種訪問(wèn)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的方法（socket）。位于其下面是一個(gè)協(xié)議無(wú)關(guān)層，它提供一種通用的方法來(lái)使用傳輸層協(xié)議。然后是具體協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，在Linux中包括內(nèi)核的協(xié)議TCP,UDP，當(dāng)然還有IP。然后是設(shè)備無(wú)關(guān)層，它提供了協(xié)議與設(shè)備驅(qū)動(dòng)通信的通用接口，最下面是設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

設(shè)備無(wú)關(guān)接口將協(xié)議與各種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)連接在一起，這一層提供一組通用函數(shù)供底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)使用，讓它們可以對(duì)高層協(xié)議棧進(jìn)行操作。需要從協(xié)議層向設(shè)備發(fā)生數(shù)據(jù)，需要調(diào)用dev_queue_xmit函數(shù)，這個(gè)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行列隊(duì)，然后交由底層驅(qū)動(dòng)程序的hard_start_xmit方法最終完成傳輸。接收通常是使用netif_rx執(zhí)行的。當(dāng)?shù)讓釉O(shè)備程序接收到一個(gè)報(bào)文（發(fā)生中斷）時(shí)，就會(huì)調(diào)用netif_rx將數(shù)據(jù)上傳至設(shè)備無(wú)關(guān)層。

下圖為設(shè)備無(wú)關(guān)層到驅(qū)動(dòng)層的體系結(jié)構(gòu)

2.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備描述（structnet_device）

每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都由struct net_device來(lái)描述，該結(jié)構(gòu)可使用如下內(nèi)核函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配

struct net_device *alloc_net(intsizeof_priv, const char *mask, void(*setup)(struct net_deive *))

sizeof_priv是私有數(shù)據(jù)區(qū)大小；mask是設(shè)備名,setup是初始化函數(shù)，在注冊(cè)該設(shè)備時(shí)，該函數(shù)被調(diào)用。也就是net_deivce的init成員。

struct net_device *alloc_etherdev(intsizeof_priv)

這個(gè)函數(shù)和上面的函數(shù)不同之處在于內(nèi)核知道會(huì)將該設(shè)備做一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備看待并做一些相關(guān)的初始化。

net_device結(jié)構(gòu)可分為全局成員、硬件相關(guān)成員、接口相關(guān)成員、設(shè)備方法成員和公用成員等五個(gè)部分

主要全局成員

char name[INFAMSIZ]

設(shè)備名，如：eh%d

unsigned long state

設(shè)備狀態(tài)

unsigned long base_addr

I/O基地址

unsigned int irq

中斷號(hào)

主要設(shè)備方法有

int (*init)(struct net_device *dev)

初始化函數(shù)，該函數(shù)在register_netdev時(shí)被調(diào)用來(lái)完成對(duì)net_device結(jié)構(gòu)的初始化

int (*open)(struct net_device *dev)

打開(kāi)接口。ifconfig激活時(shí)，接口將被打開(kāi)

int (*stop)(struct net_deivce *dev)

停止接口，ifconfig eth% down時(shí)調(diào)用

int (*hard_start_xmit)(struct sk_buf*skb，struct net_device *dev)

數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

int (*do_ioctl)(struct net_deive *dev,struct ifreq *ifr, int cmd)

處理特定于接口的ioctl命令(sock_ioctl)進(jìn)行調(diào)用。

int (*set_mac_address)(struct net_device*dev, void *addr)

改變MAC地址的函數(shù)，需要硬件支持該功能。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注冊(cè)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備注冊(cè)方式與字符驅(qū)動(dòng)不同之處在于它沒(méi)有主次設(shè)備號(hào)，并使用下面的函數(shù)注冊(cè)

int register_netdev(struct net_deivce*dev)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注銷(xiāo)

void unregister_netdev(struct net_device*dev)

3.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包描述(sk_buff)

Linux內(nèi)核中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包都由一個(gè)套接字緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)structsk_buff描述，既每個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)就是一個(gè)包，指向sk_buff的指針通常被稱(chēng)作skb

sk_buff中重要的數(shù)據(jù)成員

struct device *dev;處理該包得設(shè)備

__u32 sadd;r//IP元地址

__u32 daddr;//IP目的地址

__u32 raddr;//IP路由器地址

unsigned char *head;//分配空間的開(kāi)始

unsigned char *data;//有效數(shù)據(jù)的開(kāi)始

unsigned char *tail;//有效數(shù)據(jù)的結(jié)束

unsigned char *end;//分配空間的結(jié)束

unsigned long len;//有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

sk_buff操作

struct sk_buff *alloc_skb(unsigned intlen, int priority)

分配一個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)，供協(xié)議棧代碼使用

struct sk_buff *dev_alloc_skb(unsignedint len)

分配一個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)。供驅(qū)動(dòng)代碼使用

void kfree_skb(struct sk_buff *skb)

void dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb)

釋放sk_buff結(jié)構(gòu)

unsigned char *skb_push(struct sk_buff*skb，int len)

將data指針向前移動(dòng)len長(zhǎng)度。并返回移動(dòng)之后的值。用于向skb有效數(shù)據(jù)區(qū)域前端添加數(shù)據(jù)（包頭）。

unsigned char *skb_put(struct sk_buff*skb, int len)

將taill指針向后移動(dòng)len長(zhǎng)度，并返回tail移動(dòng)之前的值。用于向skb有效數(shù)據(jù)區(qū)域末尾添加數(shù)據(jù)。

4.驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

1）.初始化（init）

設(shè)備探測(cè)工作在init方法中進(jìn)行，一般調(diào)用一個(gè)稱(chēng)之為probe方法的函數(shù)

初始化的主要工作時(shí)檢測(cè)設(shè)備，配置和初始化硬件，最后向系統(tǒng)申請(qǐng)這些資源。此外填充該設(shè)備的dev結(jié)構(gòu)，我們調(diào)用內(nèi)核提供的ether_setup方法來(lái)設(shè)置一些以太網(wǎng)默認(rèn)的設(shè)置。

2）打開(kāi)(open)

open這個(gè)方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活時(shí)被調(diào)用（即設(shè)備狀態(tài)由down變成up）

實(shí)際上很多在初始化的工作可以放到這里來(lái)做。比如說(shuō)資源的申請(qǐng)，硬件的激活。如果dev->open返回非0，則硬件狀態(tài)還是down

3）關(guān)閉(stop)

stop方法做和open相反的工作

可以釋放某些資源以減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)

stop是在設(shè)備狀態(tài)由up轉(zhuǎn)為down時(shí)被調(diào)用

4）發(fā)送（hard_start_xmit）

在系統(tǒng)調(diào)用的驅(qū)動(dòng)程序的hard_start_xmit時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)放在一個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)中。一般的驅(qū)動(dòng)程序傳給硬件發(fā)出去。也有一些特殊的設(shè)備比如說(shuō)loopback把數(shù)據(jù)組成一個(gè)接收數(shù)據(jù)在傳送給系統(tǒng)或者dummy設(shè)備直接丟棄數(shù)據(jù)。

如果發(fā)送成功,hard_start_xmit方法釋放sk_buff。如果設(shè)備暫時(shí)無(wú)法處理，比如硬件忙，則返回1。

5)接收

驅(qū)動(dòng)程序并存在一個(gè)接受方法。當(dāng)有數(shù)據(jù)收到時(shí)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用netif_rx函數(shù)將skb交交給設(shè)備無(wú)關(guān)層。

一般設(shè)備收到數(shù)據(jù)后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷處理程序中驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)一塊sk_buff(skb)從硬件中讀取數(shù)據(jù)位置到申請(qǐng)?zhí)柕木彌_區(qū)里。

接下來(lái)填充sk_buff中的一些信息。

中斷有可能是收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生也可能是發(fā)送完成產(chǎn)生，中斷處理程序要對(duì)中斷類(lèi)型進(jìn)行判斷，如果是收到數(shù)據(jù)中斷則開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，如果是發(fā)送完成中斷，則處理發(fā)送完成后的一些操作，比如說(shuō)重啟發(fā)送隊(duì)列。

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