網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動學(xué)習(xí)

概述：本周主要學(xué)習(xí)了網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層面的一些知識，最主要的學(xué)習(xí)目標(biāo)是基本弄清包的發(fā)送與接收的過程，這不僅涉及到了高層的協(xié)議與機制，底層的驅(qū)動與硬件，更要理解數(shù)據(jù)包的封裝與包格式。我們主要是圍繞著設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的第十六章來學(xué)習(xí)這些內(nèi)容。

問題：對十六章進(jìn)行細(xì)化后發(fā)現(xiàn)主要可以歸結(jié)成對幾個問題的把握，包括數(shù)據(jù)包的承載問題，加包頭與去包頭的實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注冊與注銷，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收流程。

正文：

一、數(shù)據(jù)包的承載問題

這個問題落到了結(jié)構(gòu)體sk_buff上，也就是套接字緩沖區(qū)，根本上來講就是內(nèi)存中存放傳輸數(shù)據(jù)包的一塊內(nèi)存區(qū)域。此結(jié)構(gòu)體流動于各協(xié)議層之間，發(fā)送和接收時，用于添加協(xié)議頭與剝?nèi)f(xié)議頭，這兩個操作就是通過sk_buff里的四個指針域來實現(xiàn)的。下面來簡述這個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體的一些成員：

(1) .sk_buff中的各層協(xié)議頭：

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

(2) .sk_buff中4個數(shù)據(jù)指針：

head/end：套接字緩沖區(qū)的起始地址/終止地址

data/tail：協(xié)議數(shù)據(jù)區(qū)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(shù)據(jù)緩沖區(qū)的構(gòu)成了，尤其要知道data/tail之間存放的是有效數(shù)據(jù)，這里可以理解成協(xié)議頭和用戶數(shù)據(jù)。

(3) .三個長度信息

len：協(xié)議數(shù)據(jù)包長度

data_len:記錄分片的數(shù)據(jù)長度

truesize：數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的實際長度

由于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)層由IP協(xié)議來實現(xiàn)，其中有一個字段就是片偏移指針。相應(yīng)的在套接字緩沖區(qū)末尾有一個skb_shared_info結(jié)構(gòu)體，用于記錄分片的一些信息，frags即為分片數(shù)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(xiàn)的，這里不得不提的就是套接字緩沖區(qū)提供的四個指針移動函數(shù)。

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

pull函數(shù)用于將data指針向后移動，主要是完成去協(xié)議頭的操作，

reserve函數(shù)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(yù)留一部分空間，用時是用于協(xié)議頭對齊。

?????? 下面主要簡述一下接收包的過程：

?????? (1)、網(wǎng)卡收到一個數(shù)據(jù)包后，驅(qū)動程序創(chuàng)建一個sk_buff結(jié)構(gòu)體，在緩沖區(qū)頭部預(yù)留2個字節(jié)的空間用于協(xié)議頭的對齊，接著將收到的數(shù)據(jù)全部復(fù)制到data指向的空間，并將skb->mac.raw指向data。

(2)、數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)用skb_pull()函數(shù)剝掉以頭網(wǎng)協(xié)議頭(data指針下移一個以太網(wǎng)頭部的長度sizeof(ethhdr)，len減去一個以太網(wǎng)頭部的長度，skb->nh.raw指向data位置)，向網(wǎng)絡(luò)層傳遞數(shù)據(jù)包。

(3)、網(wǎng)絡(luò)層通過skb_pull()函數(shù)剝掉IP頭，向傳輸層傳遞數(shù)據(jù)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(yīng)用程序調(diào)用接收套接字接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)用層緩沖區(qū)，接收的數(shù)據(jù)包括傳輸層包頭和負(fù)載，由此可見傳輸層包頭并不會被剝離。

三、體系架構(gòu)的理解

?? 在架構(gòu)的上面是四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，下面是四個底層，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、設(shè)備驅(qū)動功能層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與媒介層。sk_buff流動于四個協(xié)議層，用于數(shù)據(jù)包的承載。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層有兩個函數(shù)，分別用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送dev_queue_xmit()函數(shù)，數(shù)據(jù)包的接收netif_rx()函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層有一個底層最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)net_device，這是個用于描述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屬性和操作接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。設(shè)備驅(qū)動功能層則提供了一些底層的操作，包括數(shù)據(jù)包發(fā)送hard_start_xmit(),中斷處理(數(shù)據(jù)包接收)等等，這些操作提供的接口都在net_device中存放著。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與媒介層則提供數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(shè)備名稱name，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化函數(shù)init()。

(2)、硬件信息：共享內(nèi)在的起止地址mem_start、men_end，I/O基地址base_addr,設(shè)備中斷號irq，多端口設(shè)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(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)志flags。

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

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

四、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注冊與注銷

網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注冊與注銷是使用register_netdev()和unregister_netdev()這兩個函數(shù)實現(xiàn)的，這兩個函數(shù)接收的參數(shù)只有一個net_device結(jié)構(gòu)體變量，由此也可見這個結(jié)構(gòu)體就可以簡單理解成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，分配函數(shù)如下: alloc_netdev(sizeof(struct xxx_priv),*name,*xxx_init),三個參數(shù)分別為，私有信息結(jié)構(gòu)體的大小，設(shè)備名稱，設(shè)備初始化函數(shù)。進(jìn)一步追蹤注冊過程就是弄懂這個結(jié)構(gòu)體變量的由來，也就是分配結(jié)構(gòu)體并填充里面的成員,這就是xxx_init函數(shù)的問題了。

xxx_init函數(shù)主要完成的工作有創(chuàng)建設(shè)備的私有信息結(jié)構(gòu)體，設(shè)置設(shè)備的硬件資源(進(jìn)行硬件上的準(zhǔn)備工作)，初始化設(shè)備net_device的公用成員(進(jìn)行軟件接口上的準(zhǔn)備工作)，設(shè)置成員的函數(shù)指針，最后進(jìn)行私有信息的初始化。設(shè)置設(shè)備的硬件資源包括探測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否存在，探測設(shè)備的具體硬件配置，申請設(shè)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(shè)備的打開函數(shù)中來完成。

當(dāng)net_device結(jié)構(gòu)體分配并填充完后就可以調(diào)用注冊函數(shù)來注冊設(shè)備了，注銷的過程就是先調(diào)用注銷函數(shù)，再釋放掉這個結(jié)構(gòu)體就行了。

五、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

驅(qū)動程序調(diào)用hard_start_transmit()函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)包，這個函數(shù)在設(shè)備初始化的時候被指向了設(shè)備的xxx_tx()函數(shù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送流程大致如下：

(1)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序從上層協(xié)議傳遞來的sk_buff結(jié)構(gòu)中獲取數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)和長度，將有效數(shù)據(jù)放入臨時緩沖區(qū)。

(2)、將有效數(shù)據(jù)的長度與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的最小長度進(jìn)行比較，如果有效長度小于最小幀長，則給緩沖區(qū)末尾填充0。

(3)、設(shè)置硬件的寄存器，發(fā)送時間戳，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的操作。

驅(qū)動的接收數(shù)據(jù)過程要依賴于中斷處理函數(shù)，首先判斷中斷類型是否為接收中斷，如果是才進(jìn)行下一步接收操作。數(shù)據(jù)的接收流程大致如下：

(1)、判斷中斷類型為接收中斷后調(diào)用接收函數(shù)。

(2)、調(diào)用函數(shù)從硬件上讀取數(shù)據(jù)包長度，分配套接字緩沖區(qū)并完成協(xié)議頭的對齊操作。

(3)、讀取硬件上接收到的數(shù)據(jù)，并獲取上層協(xié)議類型，將數(shù)據(jù)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(zhuǎn)到去協(xié)議頭流程了。

總結(jié)

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