1、描述

網(wǎng)卡的驅(qū)動其實很簡單，它還是與硬件相關(guān)，主要是負(fù)責(zé)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，它將上層協(xié)議傳遞下來的數(shù)據(jù)包以特定的媒介訪問控制方式進(jìn)行發(fā)送，并將接受到的數(shù)據(jù)包傳遞給上層協(xié)議。

網(wǎng)卡設(shè)備與字符設(shè)備和塊設(shè)備不同，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并不對應(yīng)于/dev/目錄下的文件，不過會存放在/sys/class/net目錄下

2、Linux系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動定義了4個層次，這4個層次有到下分為：

1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層：

實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包收發(fā)的協(xié)議，該層主要負(fù)責(zé)調(diào)用dev_queue_xmit()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，netif_rx()函數(shù)接收數(shù)據(jù)

2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層：

通過net_device結(jié)構(gòu)體來描述一個具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息，實現(xiàn)不同的硬件的統(tǒng)一

3）設(shè)備驅(qū)動功能層：

用來負(fù)責(zé)驅(qū)動網(wǎng)路設(shè)備硬件來完成各個功能，它通過hard_start_xmit()函數(shù)啟動發(fā)送操作，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的中斷觸發(fā)接收操作

4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與媒體層：

用來負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送和接受的物理實體，設(shè)備驅(qū)動功能層的函數(shù)都在這物理上驅(qū)動的

層次結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3、網(wǎng)卡驅(qū)動初始化

而我們的網(wǎng)卡驅(qū)動程序，只需要編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層，填充net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容并將net_device注冊入內(nèi)核，設(shè)置硬件相關(guān)操作，使能中斷處理等。

3.1 其中net_device結(jié)構(gòu)體的重要成員，整理后如下所示：

struct net_device

{

       char               name[IFNAMSIZ];              //網(wǎng)卡設(shè)備名稱

       unsigned long              mem_end;             //該設(shè)備的內(nèi)存結(jié)束地址

       unsigned long              mem_start;            //該設(shè)備的內(nèi)存起始地址

       unsigned long              base_addr;            //該設(shè)備的內(nèi)存I/O基地址

       unsigned int          irq;                       //該設(shè)備的中斷號

       unsigned char        if_port;                  //多端口設(shè)備使用的端口類型

　　　　unsigned char        dma;                     //該設(shè)備的DMA通道

       unsigned long              state;                    //網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)適配器的狀態(tài)信息

      struct net_device_stats* (*get_stats)(struct net_device *dev); //獲取流量的統(tǒng)計信息

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//運(yùn)行ifconfig便會調(diào)用該成員函數(shù),并返回一個net_device_stats結(jié)構(gòu)體獲取信息

      struct net_device_stats  stats;      //用來保存統(tǒng)計信息的net_device_stats結(jié)構(gòu)體

       unsigned long              features;        //接口特征,     

       unsigned int          flags; //flags指網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)志,以IFF_(Interface Flags)開頭

//當(dāng)flags =IFF_UP（ 當(dāng)設(shè)備被激活并可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)包時， 內(nèi)核設(shè)置該標(biāo)志）、 IFF_AUTOMEDIA（設(shè)置設(shè)備可在多種媒介間切換）、

IFF_BROADCAST（ 允許廣播）、IFF_DEBUG（ 調(diào)試模式， 可用于控制printk調(diào)用的詳細(xì)程度） 、 IFF_LOOPBACK（ 回環(huán)）、

IFF_MULTICAST（ 允許組播） 、 IFF_NOARP（ 接口不能執(zhí)行ARP,點對點接口就不需要運(yùn)行 ARP） 和IFF_POINTOPOINT（ 接口連接到點到點鏈路） 等。

       unsigned        mtu;        //最大傳輸單元,也叫最大數(shù)據(jù)包

       unsigned short  type;   　　//接口的硬件類型

       unsigned short   hard_header_len;     //硬件幀頭長度,一般被賦為ETH_HLEN,即14

　　　　unsigned char   dev_addr[MAX_ADDR_LEN];      //存放設(shè)備的MAC地址

       unsigned long              last_rx;    //接收數(shù)據(jù)包的時間戳,調(diào)用netif_rx()后賦上jiffies即可

       unsigned long              trans_start;     //發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間戳,當(dāng)要發(fā)送的時候賦上jiffies即可

       unsigned char        dev_addr[MAX_ADDR_LEN];                //MAC地址

       int                 (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev);

                                   //數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù), sk_buff就是用來收發(fā)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)體

　　　　void  (*tx_timeout) (struct net_device *dev); //發(fā)包超時處理函數(shù)

　　　　... ...

}

上面提到的統(tǒng)計信息net_device_stats結(jié)構(gòu)體，其中重要成員如下所示：

struct net_device_stats

{

       unsigned long       rx_packets;          　　/*收到的數(shù)據(jù)包數(shù)*/

       unsigned long       tx_packets;          　　/*發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)    */

       unsigned long       rx_bytes;               /*收到的字節(jié)數(shù),可以通過sk_buff結(jié)構(gòu)體的成員len來獲取*/

       unsigned long       tx_bytes;               /*發(fā)送的字節(jié)數(shù),可以通過sk_buff結(jié)構(gòu)體的成員len來獲取*/

       unsigned long       rx_errors;              /*收到的錯誤數(shù)據(jù)包數(shù)*/

       unsigned long       tx_errors;              /*發(fā)送的錯誤數(shù)據(jù)包數(shù)*/

       ... ...

}

3.2 所以init()函數(shù)，初始化網(wǎng)卡步驟如下所示：

1） 使用alloc_netdev()來分配一個net_device結(jié)構(gòu)體

2） 設(shè)置網(wǎng)卡硬件相關(guān)的寄存器

3） 設(shè)置net_device結(jié)構(gòu)體的成員

4） 使用register_netdev()來注冊net_device結(jié)構(gòu)體

4、網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)包過程

在內(nèi)核中，當(dāng)上層要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，就會調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層里net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員hard_start_xmit()將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

hard_start_xmit()發(fā)包函數(shù)需要我們自己構(gòu)建，該函數(shù)原型如下所示：

int    (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev);

在這個函數(shù)中，需要涉及到sk_buff結(jié)構(gòu)體，含義為(socket buffer)套接字緩沖區(qū)，用來網(wǎng)絡(luò)各個層次之間傳遞數(shù)據(jù)。

4.1 sk_buff結(jié)構(gòu)體是一個雙向鏈表，其中重要成員如下所示：

struct sk_buff {

       /* These two members must be first. */

       struct sk_buff        *next;      //指向下一個sk_buff結(jié)構(gòu)體

       struct sk_buff        *prev;     //指向前一個sk_buff結(jié)構(gòu)體

　　　　... ...

       unsigned int          len,   　　　　　　//數(shù)據(jù)包的總長度,包括線性數(shù)據(jù)和非線性數(shù)據(jù)

                            data_len,        //非線性的數(shù)據(jù)長度

                            mac_len;         //mac包頭長度

　　　　__u32    　　　　  priority;          //該sk_buff結(jié)構(gòu)體的優(yōu)先級   

　　　　__be16  　　 　　 protocol;           //存放上層的協(xié)議類型,可以通過eth_type_trans()來獲取

       ... ...

      sk_buff_data_t              transport_header;  　　//傳輸層頭部的偏移值

      sk_buff_data_t              network_header;   　　//網(wǎng)絡(luò)層頭部的偏移值

      sk_buff_data_t              mac_header;          //MAC數(shù)據(jù)鏈路層頭部的偏移值

　　　 sk_buff_data_t              tail;                    //指向緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包末尾

      sk_buff_data_t              end;                     //指向緩沖區(qū)的末尾

      unsigned char        　　　　*head,                   //指向緩沖區(qū)的協(xié)議頭開始位置

                                  *data;                   //指向緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包開始位置

       ... ...

}

其中sk_buff結(jié)構(gòu)體的空間，如下圖所示：

其中sk_buff->data數(shù)據(jù)包格式如下圖所示：

4.2 所以，hard_start_xmit()發(fā)包函數(shù)處理步驟如下所示：

1）數(shù)據(jù)包發(fā)送出去之前，需要使用netif_stop_queue()來停止上層傳下來的數(shù)據(jù)包

2）設(shè)置寄存器，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件，來發(fā)送數(shù)據(jù)

3）當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)出去后，再調(diào)用dev_free_skb()函數(shù)來釋放sk_buff，該函數(shù)原型如下：

void dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb);   

4）當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)出成功，就會進(jìn)入TX中斷函數(shù)，然后更新統(tǒng)計信息，調(diào)用netif_wake_queue來喚醒，啟動上層繼續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)包下來

5）若數(shù)據(jù)包發(fā)出去超時，一直進(jìn)不到TX中斷函數(shù)，就會調(diào)用net_device結(jié)構(gòu)體的（*tx_timeout）超時成員函數(shù)，在該函數(shù)中更新

統(tǒng)計信息，調(diào)用netif_wake_queue()來喚醒

其中netif_wake_queue()和netif_stop_queue()函數(shù)原型如下所示：

void netif_wake_queue(struct net_device *dev);  //喚醒被阻塞的上層,啟動繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動層發(fā)送數(shù)據(jù)包

void netif_stop_queue(struct net_device *dev); //阻止上層向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動層發(fā)送數(shù)據(jù)包

5、網(wǎng)卡驅(qū)動收包過程

而接收數(shù)據(jù)包主要是通過中斷函數(shù)處理，來判斷中斷類型，如果等于ISQ_RECEIVER_EVENT，表示為接受中斷，然后進(jìn)入接收數(shù)據(jù)函數(shù)，通過netif_rx()將數(shù)據(jù)上交給上層

例如下圖所示，參考的內(nèi)核中自帶的網(wǎng)卡驅(qū)動：drivers/net/cs89x0.c

如上圖所示，通過獲取的status標(biāo)志來判斷是什么中斷，如果是接受中斷，就進(jìn)入net_rx()

5.1 其中net_rx()收包函數(shù)處理步驟如下所示：

1）使用dev_alloc_skb()來構(gòu)造一個新的sk_buff

2）使用skb_reserve(rx_skb,2);將sk_buff緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)包先后位移2字節(jié)，來騰出sk_buff緩沖區(qū)里的頭部空間

3）讀取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件上接收到的數(shù)據(jù)

4）使用memcpy()將數(shù)據(jù)復(fù)制到新的sk_buff里的data成員指向的地址處，可以使用skb_put()來動態(tài)擴(kuò)大sk_buff結(jié)構(gòu)體里中的數(shù)據(jù)區(qū)

5）使用eth_type_trans()來獲取上層協(xié)議，將返回值賦給sk_buff的protocol成員里

6）然后更新統(tǒng)計信息，最后使用netif_rx()來將sk_buffer傳遞給上層協(xié)議中

其中skb_put()函數(shù)原型如下所示：

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

//len:將數(shù)據(jù)區(qū)向下擴(kuò)大len字節(jié)

使用skb_put()函數(shù)后，其中sk_buff緩沖區(qū)變化如下圖：

6、寫虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動

本屆便開始來寫一個簡單的虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動，也就是說不需要硬件相關(guān)操作，所以就沒有中斷函數(shù)，我們通過linux的ping命令來實現(xiàn)發(fā)包，然后在發(fā)包函數(shù)中，偽造一個收的ping包函數(shù)，實現(xiàn)ping通任何ip地址

在init初始函數(shù)中：

1）使用alloc_netdev()來分配一個net_device結(jié)構(gòu)體

2）設(shè)置net_device結(jié)構(gòu)體的成員

3）使用register_netdev()來注冊net_device結(jié)構(gòu)體

在發(fā)包函數(shù)中：

1）使用netif_stop_queue()來阻止上層向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動層發(fā)送數(shù)據(jù)包

2）調(diào)用收包函數(shù)，并代入發(fā)送的sk_buff緩沖區(qū)，里面來偽造一個收的ping包函數(shù)

3）使用dev_kfree_skb()函數(shù)來釋放發(fā)送的sk_buff緩存區(qū)

4）更新發(fā)送的統(tǒng)計信息

5）使用netif_wake_queue()來喚醒被阻塞的上層

在收包函數(shù)中：

首先修改發(fā)送的sk_buff里數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，使它變?yōu)橐粋€接受的sk_buff，其中數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1）需要對調(diào)上的ethhdr結(jié)構(gòu)體“源/目的”MAC地址

2）需要對調(diào)上圖的iphdr結(jié)構(gòu)體"源/目的"IP地址

3）使用ip_fast_csum()來重新獲取iphdr結(jié)構(gòu)體的校驗碼

4）設(shè)置上圖數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)類型，之前是發(fā)送ping包0x08，需要改為0x00，表示接受ping包

5）使用dev_alloc_skb()來構(gòu)造一個新的sk_buff

6）使用skb_reserve(rx_skb,2);將sk_buff緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)包先后位移2字節(jié)，來騰出sk_buff緩沖區(qū)里的頭部空間

7）使用memcpy()將之前修改好的sk_buff->data復(fù)制到新的sk_buff里的data成員指向的地址處

memcpy(skb_put(rx_skb, skb->len), skb->data, skb->len);

// skb_put():來動態(tài)擴(kuò)大sk_buff結(jié)構(gòu)體里中的數(shù)據(jù)區(qū)，避免溢出

8）設(shè)置新的sk_buff其它成員

9）使用eth_type_trans()來獲取上層協(xié)議，將返回值賦給sk_buff的protocol成員里

10）然后更新接收統(tǒng)計信息，最后使用netif_rx()來將sk_fuffer傳遞給上層協(xié)議中

7、驅(qū)動具體代碼如下：

/* 參考

 * driversnetcs89x0.c

 */

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