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Linux网络设备驱动 www gec edu org TCP IP协议 TCP IP 传输入控制地议 网际协议 是一种网络通信协议 它规范了网络上的所有通信设备 尤其是一个主机与另一个主机之间的数据传输格式以及传送方式 TCP IP是因特网的基础协议 在数据传送中 可以形象的理解为有两个信封 TCP和IP信封 要送递的信息被分成若干段 每一段塞入一个TCP信封 并在该信封上记录有分段号的信息 再将TCP信封塞入IP大信封里 发送到网上 在扫收端 一个TCP软件包收集信封 抽出数据 按发送关的顺序还原 并加以校验 若发现差错 TCP将会要求重发 因此TCP IP在因特网中几乎可以无差错地传送数据 对因特网用户来说 并不需要了解网络协议的整个结构 仅需了解IP的地址格式 即可与世界各地进行网络通信 www gec edu org OSI七层网络模型 1 OSI网络分层参考模型网络协议设计者不应当设计一个单一 巨大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节 而应把通信问题划分成多个小问题 然后为每一个小问题设计一个单独的协议 这样做使得每个协议的设计 分析 时限和测试比较容易 协议划分的一个主要原则是确保目标系统有效且效率高 为了提高效率 每个协议只应该注意没有被其他协议处理过的那部分通信问题 为了主协议的实现更加有效 协议之间应该能够共享特定的数据结构 同时这些协议的组合应该能处理所有可能的硬件错误以及其它异常情况 为了保证这些协议工作的协同性 应当将协议设计和开发成完整的 协作的协议系列 即协议族 而不是孤立地开发每个协议 在网络历史的早期 国际标准化组织 ISO 和国际电报电话咨询委员会 CCITT 共同出版了开放系统互联的七层参考模型 一台计算机操作系统中的网络过程包括从应用请求 在协议栈的顶部 到网络介质 底部 OSI参考模型把功能分成七个分立的层次 www gec edu org OSI七层网络模型 应用层 第七层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 第一层 OSI七层参考模型 www gec edu org OSI七层网络模型 第一层 物理层负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输 它由计算机和网络介质之间的实际界面组成 可定义电气信号 符号 线的状态和时钟要求 数据编码和数据传输用的连接器 如最常用的RS 232规范 10BASE T的曼彻斯特编码以及RJ 45就属于第一层 所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与它通话 如以太网的附属单元接口 AUI 一个DB 15连接器可被用来连接层一和层二 www gec edu org OSI七层网络模型 第二层 数据链路层数据链路层定义了不同的网络和协议特征 其中包括物理编址 网络拓扑结构 错误校验 帧序列以及流控 数据链路层实际上由两个独立的部分组成 介质存取控制 MediaAccessControl MAC 逻辑链路控制层 LogicalLinkControl LLC MAC描述在共享介质环境中如何进行站的调度 发生和接收数据 MAC确保信息跨链路的可靠传输 对数据传输进行同步 识别错误和控制数据的流向 一般地讲 MAC只在共享介质环境中才是重要的 只有在共享介质环境中多个节点才能连接到同一传输介质上 IEEE802 2标准定义了LLC LLC支持无连接服务和面向连接的服务 在数据链路层的信息帧中定义了许多域 这些域使得多种高层协议可以共享一个物理数据链路 www gec edu org OSI七层网络模型 第三层 网络层负责在源和终点之间建立连接 它一般包括网络寻径 还可能包括流量控制 错误检查等 相同MAC标准的不同网段之间的数据传输一般只涉及到数据链路层 而不同的MAC标准之间的数据传输都涉及到网络层 例如IP路由器工作在网络层 因而可以实现多种网络间的互联 第四层 传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务 传输层的功能一般包括流控 多路传输 虚电路管理及差错校验和恢复 流控管理设备之间的数据传输 确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据 多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上 虚电路由传输层建立 维护和终止 差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构 而差错恢复包括所采取的行动 如请求数据重发 以便解决发生的任何错误 传输控制协议 TCP 是提供可靠数据传输的TCP IP协议族中的传输层协议 www gec edu org OSI七层网络模型 第五层 会话层建立 管理和终止表示层与实体之间的通信会话 通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答 这些请求与应答通过会话层的协议实现 它还包括创建检查点 使通信发生中断的时候可以返回到以前的一个状态 第六层 表示层提供多种功能用于应用层数据编码和转化 以确保以一个系统应用层发送的信息可以被另一个系统应用层识别 表示层的编码和转化模式包括公用数据表示格式 性能转化表示格式 公用数据压缩模式和公用数据加密模式 公用数据表示格式就是标准的图像 声音和视频格式 通过使用这些标准格式 不同类型的计算机系统可以相互交换数据 转化模式通过使用不同的文本和数据表示 在系统间交换信息 例如ASCII AmericanStandardCodeforInformationInterchange 美国标准信息交换码 标准数据压缩模式确保原始设备上被压缩的数据可以在目标设备上正确的解压 加密模式确保原始设备上加密的数据可以在目标设备上正确地解密 表示层协议一般不与特殊的协议栈关联 如QuickTime是Applet计算机的视频和音频的标准 MPEG是ISO的视频压缩与编码标准 常见的图形图像格式PCX GIF JPEG是不同的静态图像压缩和编码标准 www gec edu org OSI七层网络模型 第七层 应用层最接近终端用户的OSI层 这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的 注意 应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成 而是由向应用程序提供访问网络资源的API ApplicationProgramInterface 应用程序接口 组成 这类应用软件程序超出了OSI模型的范畴 应用层的功能一般包括标识通信伙伴 定义资源的可用性和同步通信 因为可能丢失通信伙伴 应用层必须为传输数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性 定义资源可用性时 应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源 在同步通信中 所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作 www gec edu org TCP IP分层模型 TCP IPLayeningModel 被称作因特网分层模型 InternetLayeringModel 因特网参考模型 InternetReferenceModel TCP IP四层网络模型 www gec edu org TCP IP四层网络模型 TCP IP协议被组织成四个概念层 其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层 ICP IP协议族并不包含物理层和数据链路层 因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能 必须与许多其他的协议协同工作 TCP IP分层模型的四个协议层分别完成以下的功能 第一层 网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议 实际上TCP IP标准并不定义与ISO数据链路层和物理层相对应的功能 相反 它定义像地址解析协议 AddressResolutionProtocol ARP 这样的协议 提供TCP IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口 www gec edu org TCP IP四层网络模型 第二层 网间层对应于OSI七层参考模型的网络层 本层包含IP协议 RIP协议 RoutingInformationProtocol 路由信息协议 负责数据的包装 寻址和路由 同时还包含网间控制报文协议 InternetControlMessageProtocol ICMP 用来提供网络诊断信息 第三层 传输层对应于OSI七层参考模型的传输层 它提供两种端到端的通信服务 其中TCP协议 TransmissionControlProtocol 提供可靠的数据流运输服务 UDP协议 UseDatagramProtocol 提供不可靠的用户数据报服务 第四层 应用层对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层 因特网的应用层协议包括Finger Whois FTP 文件传输协议 Gopher HTTP 超文本传输协议 Telent 远程终端协议 SMTP 简单邮件传送协议 IRC 因特网中继会话 NNTP 网络新闻传输协议 等 www gec edu org TCP IP四层网络模型 TCP IP的重要协议 1 地址解析协议 ARP 在网络上进行通信的主机必须知道对方主机的硬件地址 网卡的物理地址 地址解析协议的目的就是将IP地址映射成物理地址 这在使信息通过网络时特别重要 一个消息 或者其他数据 在发送之前 被打包到IP包里面 或适合于因特网传输信息块中 其中包括两台计算机的IP地址 在这个包离开发送计算机前 必须找到目标的硬件地址 这就是ARP最初到达的地方 一个ARP请求消息会在网上广播 请求由一个进程接收 它回复物理地址 这个回复消息由原先的那台发送广播消息的计算机接收 从而传输过程就开始了 www gec edu org TCP IP四层网络模型 2 因特网控制消息协议 ICMP 因特网控制消息协议 ICMP 用于报告错误并对IP消息进行控制 IP运用互联组管理协议 IGMP 来告诉路由器某一网络上指导组中有哪些可用主机 以ICMP实现的最著名的网络工具是Ping Ping通常用来判断一台远程机器是否正开着 数据包从用户的计算机发到远程计算机 这些包通常返回到用户的计算机 如果数据据包没有返回到用户计算机 Ping程序就产生一个表示远程计算机关机的错误消息 www gec edu org Linux网络驱动程序 Linux网络驱动程序作为Linux网络子系统的一部分 位于TCP IP网络体系结构的网络接口层 主要实现上层协议栈与网络设备的数据交换 Linux的网络系统主要是基于BSDUnix的套接字 socket 机制 网络设备与字符设备和块设备不同 没有对应地映射到文件系统中的设备节点 Linux网络驱动程序的体系结构可划分为4个层次 Linux内核源代码中提供了网络设备接口及以网络子系统的上层的代码 移植特定网络硬件的驱动程序的主要工作就是完成设备驱动功能层的相应代码 根据底层具体的硬件特性 定义网络设备接口structnet device类型的结构体变量 并实现其中相应的操作函数及中断处理程序 Linux中所有的网络设备都抽象为一个统一的接口 即网络设备接口 通过structnet device类型的结构体变量表示网络设备在内核中的运行情况 这里既包括回环 loopback 设备 也包括硬件网络设备接口 内核通过以dev base为头指针的设备链表来管理所有的网络设备 www gec edu org 网络设备接口层 net device结构体的相关成员网络设备的名称 charname IFNAMESIZ 设备初始化函数指针 设备注册时被调用 int init structnet device dev 硬件信息 unsignedlongmem end unsignedlongmem start 二者分别定义了设备所用的共享内存的起始和结束地址unsignedlongbase addr 网络设备的I O基地址unsignedcharirq 设备使用的中断号unsignedcharif port 多端口设备中端口选择unsignedchardma 分配给设备的DMA通道 www gec edu org 网络设备接口层 接口信息unsignedshorthard header len 网络设备的硬件头长度 在以太网设备的初始化函数中 该成员被赋值为ETH HLEN 即14unsignedshorttype 接口的硬件类型unsignedmtu 最大传输单元unsignedchardev addr MAX ADDR LEN unsignedcharbroadcase MAX ADDR LEN 二者分别用于存放设备的硬件地址和广播地址 以太网设备的广播地址为6个0 xFFunsignedshortflags 网络接口标志设备操作函数打开 关闭int open structnet device dev 获得设备需要的IO地址 IRQ及DMA通道int stop structnet device dev www gec edu org 网络设备接口层 启动数据包发送int hard start xmit structsk buff skb structnet device dev 获得网络设备状态structnet device status get status structnet device dev 设备I O控制int do ioctl structnet device dev structifreq ifr intcmd 配置接口 I O地址 中断号int set config structnet device dev structifmap map 设置MAC地址int set mac address structnet device dev void addr www gec edu org 网络设备接口层 辅助成员unsignedlongtrans start unsignedlonglast rx 二者分别为 最后一次开始发送的时间戳 最后一次接收到数据包的时间戳 这两个时间戳记录都是jiffies 驱动程序应维护这两个成员 void priv 私有信息指针spinlock txmit lock intxmit lock owner xmit lock是避免hard start xmit函数同时多次调用的自旋锁 xmit lock owner指向拥有此自旋锁的CPU的编号 www gec edu org Linux网络驱动程序 www gec edu org 网络协议接口层 1 网络协议接口层在网络协议接口层 只提供了两个抽象函数dev queue xmit 与netif rx 之所以称之为抽象函数 是因为这两个函数抽象了很多底层的操作 不管是那个芯片它在网络协议结构的操作函数都是这两个函数 采用这样的抽象后 给上层带来了很多的方便 给上层协议提供统一的数据包收发接口 无论上层是ARP协议还是IP协议 都通过dev queue xmit 函数发送数据 通过netif rx 函数接收数据 此层使上层协议独立于具体的设备 相关数据结构sk buff sk buff称为 套接字缓冲区 用于在Linux网络子系统中各层之间传递数据 是Linux网络子系统数据传递的 中枢神经 sk buff定义位置为 include linux skbuff h 这个数据结构定义了很多用于网络操作的函数 更多的设计整个协议的实现 包括各层报文的头信息 以及报文的帧格式 www gec edu org 网络协议接口层 sk buff中的数据缓冲区的指针Linux必须分配用于容纳数据包的缓冲区 sk buff中定义了4个指向这片缓冲区的不同位置的指针head data tail end head 指针指向内存中已分配的用于存储网路数据的缓冲区起始地址 sk buff和相关数据块在分配后 该指针的值就固定了 data 指针指向对应当前协议层有效数据的起始地址 每个协议的有效数据含义不同 tail 指向对应当前协议层有效数据负载的结尾地址 与data对应 end 指向内存分配的数据缓冲区的结尾地址 与head指针对应 和head一样 sk buff和相关数据块被分配后 end指针也就固定了 www gec edu org 网络协议接口层 套接字缓冲区sk buff相关操作 分配空间 structsk buff dev alloc skb unsignedlen 释放空间 dev kfree skb structsk buff skb 用于非中断上下文dev kfree skb irq structsk buff skb 用于中断上下文dev kfree skb any structsk buff skb 上述两种情况均可put操作 unsignedchar skb put structsk buff skb unsignedintlen unsignedchar skb put structsk buff skb unsignedintlen 作用 在缓冲区尾部添加数据 tail指针下移len长度 并增加sk buff中len的值 返回改变后的tail值 www gec edu org 网络协议接口层 push操作 unsignedchar skb push structsk buff skb unsignedintlen unsignedchar skb push structsk buff skb unsignedintlen 作用 将data指针上移 同时增加sk buff中的len 主要用于在数据包发送时添加头部 函数带 和不带 的区别在于 带 的会检测放入缓冲区的数据 后则不会 pull操作 unsignedchar skb pull structsk buff skb unsignedintlen 作用 将data指针下移 并减少sk buff中的len值 这个操作一般用于下层协议向上层协议移交数据包 使data指针指向上一层协议的协议头reserve操作 voidskb reserve structsk buff skb unsignedintlen 作用 将data和tail指针同时下移 这个操作主要用于在存储空间的头部预留len长度的空隙 www gec edu org www gec edu org 数据发送时的sk buff封装 www gec edu org transport header network header以及mac header的变化 这几个指针都是随着数据包到达不同的层次才会有对应的值 我们来看下面的图 这个图表示了当从2层到达3层对应的指针的变化 www gec edu org www gec edu org 网络设备接口层 structnet device ops int ndo init structnet device dev void ndo uninit structnet device dev int ndo open structnet device dev int ndo stop structnet device dev int ndo start xmit structsk buff skb structnet device dev u16 ndo select queue structnet device dev structsk buff skb 实现这些函数中的一部分后 就实现了驱动的功能了 为千变万化的网络设备定义统一的 抽象的数据结构net device结构体 以不变应万变 实现多种硬件在软件层次上的统一 net device结构体在内核中指代一个网络设备 网络设备驱动只需填充其结构体就可以实现内核与具体硬件操作函数的挂接 实际驱动的编写过程中 我们并不需要实现全部的函数 实际上 我们只要根据具体的需要实现上边的部分就可以了 www gec edu org 设备驱动功能层网 络设备与媒介层 设备驱动功能层net device结构体的成员需要被设备驱动功能层的具体数值和函数赋予 由于网络数据包的接收可由中断引发 设备驱动功能层中另一个主体部分将是中断处理函数 它负责读取硬件上接收的数据包并传送给上层协议 网络设备与媒介层直接对应于实际的硬件设备 网络设备驱动的注册与注销注册与注销使用register netdev 和unregister netdev 函数 生成net device结构体 实现注册前的填充alloc netdev alloc etherdev 释放结构体free netdev www gec edu org Linux网络设备驱动程序实现 www gec edu org 网络设备的初始化 网络设备的初始化初始化完成如下工作 进行硬件上的准备工作 检查网络设备是否存在 如果存在 则检测设备所使用的硬件资源 进行软件接口上的准备工作 分配net device结构体并对其数据和函数指针成员赋值 获得设备的私有信息指针并初始化其各成员的值 www gec edu org 网络设备的打开与释放 网络设备的打开与释放打开函数完成工作 使能设备使用的硬件资源 申请I O区域 中断和DMA通道等 调用内核提供的netif start queue 激活设备发送队列 关闭函数相反 调用函数netif stop queue www gec edu org 数据包的发送与接收 数据包的发送与接收数据包的发送和接收是实现Linux网络驱动程序中两个最关键的过程 对这两个过程处理的好坏将直接影响到驱动程序的整体运行质量 首先在网络设备驱动加载时 通过device域中的init函数指针调用网络设备的初始化函数对设备进行初始化 如果操作成功就可以通过device域中的open函数指针调用网络设备的打开函数打开设备 再通过device域中的建立硬件包头函数指针hard header来建立硬件包头信息 最后通过协议接口层函数dev queue xmit来调用device域中的hard start xmit函数指针来完成数据包的发送 该函数将把存放在套接字缓冲区中的数据发送到物理设备 该缓冲区是由数据结构sk buff来表示的 数据包的接收是通过中断机制来完成的 当有数据到达时 就产生中断信号 网络设备驱动功能层就调用中断处理程序 即数据包接收程序来处理数据包的接收 然后网络协议接口层调用netif rx函数 详见 linux net core dev c 把接收到的数据包传输到网络协议的上层进行处理 www gec edu org 数据收发流程 数据发送流程发送流程如下 网络设备驱动程序从上层传递过来的sk buff参数获得数据包的有效数据和长度 将有效数据放入临时缓冲区 对于以太网 有过有效数据的长度小于以太网冲突检测所要求数据帧的最小长度ETH ZLEN 则给临时缓冲区的末尾填充0 设置硬件的寄存器 驱使网络设备进行数据发送操作 数据接收流程网络设备接收数据的主要方法是由中断引发设备的中断处理函数 中断处理函数判断中断类型 如果为接收中断 则读取接收到的数据 分配sk buff数据结构和数据缓冲区 将接收的数据复制到数据缓冲区 并调用netif rx 函数将sk buff传递给上层协议 www gec edu org 网络设备驱动实践 实现一个虚拟网卡s0设备驱动 加载成功后配置ip并测试加载驱动后通过ifconfig a查看是否添加成功ifconfigs0192 168 0 234ping192 168 0 234检测网卡是否正常工作 www gec edu org undefPDEBUG undefit justincase definePDEBUG fmt args printk KERN DEBUG snull fmt args undefPDEBUGG definePDEBUGG fmt args nothing it saplaceholder include include include printk include kmalloc include errorcodes include size t include mark bh include include structdevice andotherheaders include eth type trans include structiphdr include structtcphdr include include include include include include www gec edu org structnet device gecnet devs 定义一个网络设备gecnet devs 网络设备结构体 作为net device privstructgecnet priv structnet device statsstats 有用的统计信息intstatus 网络设备的状态信息 是发完数据包 还是接收到网络数据包intrx packetlen 接收到的数据包长度u8 rx packetdata 接收到的数据inttx packetlen 发送的数据包长度u8 tx packetdata 发送的数据structsk buff skb socketbuffer结构体 网络各层之间传送数据都是通过这个结构体来实现的spinlock tlock 自旋锁 www gec edu org 网络接口的打开函数intgecnet open structnet device dev inti printk callgecnet open n for i 0 idev addr i 0 x33 netif start queue dev 打开传输队列 这样才能进行数据传输return0 intgecnet release structnet device dev printk callgecnet release n netif stop queue dev 当网络接口关闭的时候 调用stop方法 这个函数表示不能再发送数据return0 www gec edu org 接包函数voidgecnet rx structnet device dev intlen unsignedchar buf structsk buff skb structgecnet priv priv structgecnet priv dev ml priv skb dev alloc skb len 2 分配一个socketbuffer 并且初始化skb data skb tail和skb headif skb printk gecnetrx lowonmem packetdropped n priv stats rx dropped return skb reserve skb 2 alignIPon16Bboundary memcpy skb put skb len buf len skb put是把数据写入到socketbuffer Writemetadata andthenpasstothereceivelevel skb dev dev skb protocol eth type trans skb dev 返回的是协议号skb ip summed CHECKSUM UNNECESSARY 此处不校验priv stats rx packets 接收到包的个数 1priv stats rx bytes len 接收到包的长度printk gecnetrx n netif rx skb 通知内核已经接收到包 并且封装成socketbuffer传到上层return www gec edu org 真正的处理的发送数据包 模拟从一个网络向另一个网络发送数据包voidgecnet hw tx char buf intlen structnet device dev structnet device dest 目标设备结构体 net device存储一个网络接口的重要信息 是网络驱动程序的核心structgecnet priv priv if lenml priv 目标dest中的privpriv rx packetlen len priv rx packetdata buf printk gecnettx n dev kfree skb priv skb www gec edu org 发包函数intgecnet tx structsk buff skb structnet device dev intlen char data structgecnet priv priv structgecnet priv dev ml priv if skb NULL PDEBUG tintfor p skb p n dev skb if skb NULL return0 len sk