網絡設備驅動學習

概述：本周主要學習了網絡驅動層面的一些知識，最主要的學習目標是基本弄清包的發送與接收的過程，這不僅涉及到了高層的協議與機制，底層的驅動與硬件，更要理解數據包的封裝與包格式。我們主要是圍繞著設備驅動開發的第十六章來學習這些內容。

問題：對十六章進行細化后發現主要可以歸結成對幾個問題的把握，包括數據包的承載問題，加包頭與去包頭的實現，網絡的框架結構，網絡設備的注冊與注銷，數據的發送與接收流程。

正文：

一、數據包的承載問題

這個問題落到了結構體sk_buff上，也就是套接字緩沖區，根本上來講就是內存中存放傳輸數據包的一塊內存區域。此結構體流動于各協議層之間，發送和接收時，用于添加協議頭與剝去協議頭，這兩個操作就是通過sk_buff里的四個指針域來實現的。下面來簡述這個關鍵結構體的一些成員：

(1) .sk_buff中的各層協議頭：

采用了聯合體來描述各層的協議頭，分別描述了傳輸層h、網絡層nh和鏈路層mac中的各個協議頭，其中包括的成員主要就是各層的協議頭，還有指向所在層頭部的指針*raw。

(2) .sk_buff中4個數據指針：

head/end：套接字緩沖區的起始地址/終止地址

data/tail：協議數據區起始地址/終止地址

只要明白這四個指針是四個邊界就很好理解數據緩沖區的構成了，尤其要知道data/tail之間存放的是有效數據，這里可以理解成協議頭和用戶數據。

(3) .三個長度信息

len：協議數據包長度

data_len:記錄分片的數據長度

truesize：數據緩沖區的實際長度

由于數據鏈路層有最大傳輸單元MTU的限制，這就引入了分片的機制，這里主要是在網絡層由IP協議來實現，其中有一個字段就是片偏移指針。相應的在套接字緩沖區末尾有一個skb_shared_info結構體，用于記錄分片的一些信息，frags即為分片數組，每一個分片長度的上限是一頁，即4KB大小，再配合長度信息data_len，這樣對于分片機制就比較理解了。

二、加包頭與去包頭

這個問題主要就是通過移動sk_buff里的四個指針域來實現的，這里不得不提的就是套接字緩沖區提供的四個指針移動函數。

這四個函數分別是put(放置)、push(推)、pull(拉)、reserve(保留)， put函數用于將tail指針向后移動，主要是完成存放數據包的操作，push函數用于將data指針向前移動，主要是完成加協議頭的操作，

pull函數用于將data指針向后移動，主要是完成去協議頭的操作，

reserve函數用于將data和tail指針同時后移，主要用于在存儲空間的頭部預留一部分空間，用時是用于協議頭對齊。

?????? 下面主要簡述一下接收包的過程：

?????? (1)、網卡收到一個數據包后，驅動程序創建一個sk_buff結構體，在緩沖區頭部預留2個字節的空間用于協議頭的對齊，接著將收到的數據全部復制到data指向的空間，并將skb->mac.raw指向data。

(2)、數據鏈路層調用skb_pull()函數剝掉以頭網協議頭(data指針下移一個以太網頭部的長度sizeof(ethhdr)，len減去一個以太網頭部的長度，skb->nh.raw指向data位置)，向網絡層傳遞數據包。

(3)、網絡層通過skb_pull()函數剝掉IP頭，向傳輸層傳遞數據包。去包頭過程于(2)類似，主要還是data指針和傳輸層包頭指針的下移。

(4)、應用程序調用接收套接字接收數據，并將數據復制到應用層緩沖區，接收的數據包括傳輸層包頭和負載，由此可見傳輸層包頭并不會被剝離。

三、體系架構的理解

?? 在架構的上面是四層網絡協議，下面是四個底層，包括網絡協議接口層、網絡設備接口層、設備驅動功能層、網絡設備與媒介層。sk_buff流動于四個協議層，用于數據包的承載。在網絡協議接口層有兩個函數，分別用于數據包的發送dev_queue_xmit()函數，數據包的接收netif_rx()函數。在網絡設備接口層有一個底層最關鍵的數據結構net_device，這是個用于描述網絡設備屬性和操作接口的數據結構。設備驅動功能層則提供了一些底層的操作，包括數據包發送hard_start_xmit(),中斷處理(數據包接收)等等，這些操作提供的接口都在net_device中存放著。網絡設備與媒介層則提供數據的遠距離傳輸。底層框架如下圖：

net_device包括的信息主要有：

(1)、全局信息：設備名稱name，網絡設備初始化函數init()。

(2)、硬件信息：共享內在的起止地址mem_start、men_end，I/O基地址base_addr,設備中斷號irq，多端口設備支持if_port，DMA通道dma。

(3)、接口信息：硬件頭長度hard_header_len,硬件類型type，最大傳輸單元mtu，硬件地址dev_addr，廣播地址broadcast,網絡接口標志flags。

(4)、設備操作函數：open、stop、do_ioctl、tx_timeout、poll等等。

(5)、輔助成員：發送時間戳trans_start,接收時間戳last_rx,私有信息指針*priv(存放設備的一些私有信息)，自旋鎖xmit_lock。

四、網絡設備的注冊與注銷

網絡設備的注冊與注銷是兩個相反的過程，我們只要明白了注冊的過程那么注銷過程自然也就能明白了。網絡設備的注冊與注銷是使用register_netdev()和unregister_netdev()這兩個函數實現的，這兩個函數接收的參數只有一個net_device結構體變量，由此也可見這個結構體就可以簡單理解成網絡設備，分配函數如下: alloc_netdev(sizeof(struct xxx_priv),*name,*xxx_init),三個參數分別為，私有信息結構體的大小，設備名稱，設備初始化函數。進一步追蹤注冊過程就是弄懂這個結構體變量的由來，也就是分配結構體并填充里面的成員,這就是xxx_init函數的問題了。

xxx_init函數主要完成的工作有創建設備的私有信息結構體，設置設備的硬件資源(進行硬件上的準備工作)，初始化設備net_device的公用成員(進行軟件接口上的準備工作)，設置成員的函數指針，最后進行私有信息的初始化。設置設備的硬件資源包括探測網絡設備是否存在，探測設備的具體硬件配置，申請設備所需要的硬件資源，如I/O端口，irq,DMA通道等，這個過程也可以放到設備的打開函數中來完成。

當net_device結構體分配并填充完后就可以調用注冊函數來注冊設備了，注銷的過程就是先調用注銷函數，再釋放掉這個結構體就行了。

五、數據的發送與接收

驅動程序調用hard_start_transmit()函數來發送數據包，這個函數在設備初始化的時候被指向了設備的xxx_tx()函數。數據的發送流程大致如下：

(1)、網絡設備驅動程序從上層協議傳遞來的sk_buff結構中獲取數據包的有效數據和長度，將有效數據放入臨時緩沖區。

(2)、將有效數據的長度與以太網數據幀的最小長度進行比較，如果有效長度小于最小幀長，則給緩沖區末尾填充0。

(3)、設置硬件的寄存器，發送時間戳，進行數據發送的操作。

驅動的接收數據過程要依賴于中斷處理函數，首先判斷中斷類型是否為接收中斷，如果是才進行下一步接收操作。數據的接收流程大致如下：

(1)、判斷中斷類型為接收中斷后調用接收函數。

(2)、調用函數從硬件上讀取數據包長度，分配套接字緩沖區并完成協議頭的對齊操作。

(3)、讀取硬件上接收到的數據，并獲取上層協議類型，將數據包遞交給上層，記錄接收時間戳，遞交上層后的操作就可以轉到去協議頭流程了。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的网络设备驱动学习的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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