Linux内核代码笔记6----网络模型

网络协议

TCP/IP模型

• 应用层 （TELNET、FTP、DNS）
• 传输层（TCP、UDP）
• Internet（IP）
• 网络接口物理层（PPP/SLIP、LAN）

Internet协议

    IP定义了一个协议，而不是一个连接。IP主要负责数据报在计算机之间的寻址问题，并管理这些数据报的分段过程。传输具有“不可靠性”，验证和流量控制交给其他层完成。IP是无连接的。

    面向连接：通信双方在通信时，事先建立一条通信线路。过程有建立连接、使用连接、释放连接等；

    无连接：   通信双方事先不需要建立通信线路，而是把带有目的的地址的包送到线路上，由系统选定路线。

TCP协议

    TCP可以向上层提供面向连接的协议，使上层启动应用程序。作用是提供可靠通信的有效报文协议。

套接字

    Linux支持多种套接字种类，不同的套接字种类称为“地址族”。Linux将上述套接字地址族抽象为统一的BSD套接字接口，比如stream、datagram、raw等。

网络设备接口

    网络设备结构：

    网络设备驱动程序功能：

• 发送数据

        驱动将来自协议层的网络缓冲区通过hard_start_xmit()发送到物理介质，并接收硬件产生的应答信号。

        dev->hard_start_xmit（）：将网络缓冲区，也就是sk_buff 发送到硬件设备。如果设备不能接受缓冲区，它就会返回1。如果协议层决定释放被设备抛弃的缓冲区，那么缓冲区就不会再被送回设备；如果设备知道缓冲区短时间内不被能传送，例如设备严重堵塞，那么它就调用  dev_kfree_skb（）函数丢掉缓冲区，该函数返回零值标明缓冲区已经被处理完毕。

        当缓冲区被传送到硬件以后，硬件应答信号标识传输已经完毕，驱动程序必须调用dev_kfree_skb(skb, FREE_WRITE)函数释放缓冲区，一旦该调用结束，缓冲区就会很自然地消失，这样，驱动程序就不能再涉及缓冲区了。sk_buff是被锁住的(locked)，确保其他程序不会存取它。

        数据帧在传送之前先要排成对列，在加入队列之前，还要在每个数据帧的开始添加硬件帧头，这项工作对于数据传送非常必要。网络设备驱动程序提供了一个dev->hard_header()例程，来完成添加硬件帧头的工作。协议层在发送数据之前会在缓冲区的开始留下至少 dev->hard_header_len 长度字节的空闲空间。这样dev->hard_header()程序只要调用 skb_push()，然后正确填入硬件帧头就可以了。

• 接收数据

        驱动接收来自网络上的数据帧，将其转换为能被网络协议识别的网络缓冲区，然后传递给netif_rx()函数，将数据帧传递到网络协议层做进一步处理。

        网络设备数据结构net_device，是网络驱动最重要的部分，位置在include/linux/netdevice.h。所有的网络设备的信息和操作都保存在设备数据结构中，每注册一个网络设备，都需要提供数据结构中各个域的数据。dev_queue_xmit()和netif_rx()使用了sk_buff结构（意为套接字缓冲区），定义在include/linux/skbuff.h中，用于Linux网络子系统各层间传输数据，是一个双向链表。

        网络设备驱动程序没有关于接收的处理。当它收到数据后都会产生一个中断，中断处理程序调用 dev_alloc_skb()，申请一个大小合适的缓冲区（sk_buff），把从硬件传来的数据放入缓冲区。接着，设备驱动程序分析数据包的类型，把 skb->dev设置为接收数据的设备类型 ，把 skb->protocol 设置为数据帧描述的协议类型，这样，数据帧就可以被发送到正确的协议层。硬件帧头指针保存在 skb->mac.raw中，并且硬件帧头通过调用skb_pull()被去掉，因此网络协议就不涉及硬件的信息。最后还要设置skb->pkt_type，标明链路层数据类型，设备驱动程序必须按以下类型设置skb->pkt_type：

PACKET_BROADCAST     链接层广播地址　　

PACKET_MULTICAST      链接层多路地址　　　

PACKET_SELF                  发给自己的数据帧　　　

PACKET_OTHERHOST    发向另一个主机的数据帧 （监听模式时会有到）　

        最后，设备驱动程序调用netif_rx()把缓冲区向上传递给协议层。netif_rx()将数据放入处理队列后返回，真正的处理是在中断返回后，可以减少中断时间。一旦netif_rx( )被调用，缓冲区就不在属设备驱动程序所有，它不能被修改，而且设备驱动程序也不能再涉及它了。

        在协议层，接收数据包的流程控制分两个层次： 首先，netif_rx()函数限制了从物理层到协议层的数据帧的数量。第二，每一个套接字都有一个队列，限制从协议层到套接字层的数据帧的数量。在传输方面，驱动程序的dev->tx_queue_len 参数用来限制队列的长度。队列的长度通常是100帧，在进行大量数据传输的高速连接中，它足以容纳下所有等待传输的缓冲区，不会出现大量缓冲区阻塞的情况。在低速连接中，例如Slip 连接，队列的长度长设为10帧左右，因为传输10帧的数据就要花费数秒的时间排列数据。

相关函数

    初始化

int (*init)(struct net_device *dev);

        设备初始化和注册时调用，执行的是底层的确认和检查工作，对硬件资源的配置。

    打开设备

int (*open)(struct net_device *dev);

        网络设备激活的时候调用（设备状态down->up）。主要功能：资源申请、硬件激活等。若驱动作为模块装入，open()里调用MOD_INC_USE_COUNT，将引用计数器加1。

        在用户态执行ifconfig eth0 up命令时，要执行两个任务。首先，它通过ioctl(SIOCSIFADDR)(Socket I/O Control Set Interface Address)赋予地址，然后通过ioctl(SIOCSIFFLAGS)(Socket I/O Control Set Interface Flags)设置dev->flag中的IFF_UP标志以打开接口。这个调用会使得设备的open方法得到调用。类似的，在接口关闭时，ifconfig使用ioctl(SIOCSIFFLAGS)来清理IFF_UP标志，然后调用stop函数。

    关闭设备

int (*stop)(struct net_device *dev);

        关闭时调用（设备状态up->down）。若驱动作为模块装入，stop()中需调用MOD_DEC_USE_COUNT。

    分配缓冲区

struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int len, int priority);   

struct sk_buff *dev_alloc_skb(unsigned int len);  

        分配一个缓冲区。alloc_skb函数分配一个缓冲区并初始化skb->data和skb->tail为skb->head。参数len为数据缓冲区的空间大小，通常以L1_CACHE_BYTES字节(对ARM为32)对齐，参数priority为内存分配的优先级。dev_alloc_skb()函数以GFP_ATOMIC优先级进行skb的分配。

    释放缓冲区

void kfree_skb(struct sk_buff *skb);   

void dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb);

        sk_buff结构中几个数据指针指向如图：

        对sk_buff操作的几个函数：

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

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

unsigned char *skb_pull(struct sk_buff *skb, int len);   

void skb_reserve(struct sk_buff ×skb, int len);  

    操作函数

int (*hard_header)(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, unsigned short type, void *daddr, void *saddr, unsigned len);  

        根据先前检索到的源和目的硬件地址建立硬件头

int (*rebuild_header)(struct sk_buff *skb); 

        以太网的mac地址是固定的，为了高效，第一个包去询问mac地址，得到对应的mac地址后就会作为cache把mac地址保存起来。以后每次发包不用询问了，直接把包的地址拷贝出来。

void (*tx_timeout)(struct net_device *dev);  

        数据包发送超时失败时调用。

struct net_device_stats *(*get_stats)(struct net_device *dev);

        统计设备信息。

int (*do_ioctl)(struct net_device *dev, struct ifmap *map);

        事先自定义的ioctl命令。

reference

1、深入分析Linux内核源码

2、Linux驱动程序开发实例

3、Linux驱动修炼之道