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---- 設(shè)計Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序 (http://www.xinguifushi.cn/bbs/dispbbs.asp?boardid=33&id=1733)
-- 發(fā)布時間：2010-11-24 11:28:57
-- 設(shè)計Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序
Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序是Linux操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的一個重要組成部分。分析其運行機理，對于設(shè)計Linux網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序是很有幫助的。我們可以在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序這一級做一些與應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的特殊事情，例如在設(shè)計Linux防火墻和網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)時，可以在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上攔截網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，繼而對其進行分析。由于Linux是開放源代碼的，所以給我們提供了一個分析和改造網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，并使其滿足特殊應(yīng)用的絕好機會。本文對Linux內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序部分進行了詳細討論，并給出了實現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的重要過程、一種實現(xiàn)模式和具體實例。
運行機理
1．體系結(jié)構(gòu)
Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。可以劃分為四層，從上到下分別為協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、提供實際功能的設(shè)備驅(qū)動功能層，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)媒介層。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序時，最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動功能層，使其滿足我們自己所需的功能。在Linux中，把所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都抽象為一個接口。這個接口提供了對所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作集合。由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) struct device來表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)核中的運行情況，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口。它既包括純軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，如環(huán)路（Loopback），也可以包括硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，如以太網(wǎng)卡。它由以dev_base為頭指針的設(shè)備鏈表來集中管理所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該設(shè)備鏈表中的每個元素代表一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)device中有很多供系統(tǒng)訪問和協(xié)議層調(diào)用的設(shè)備方法，包括供設(shè)備初始化和往系統(tǒng)注冊用的init函數(shù)、打開和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的open和stop函數(shù)、處理數(shù)據(jù)包發(fā)送的函數(shù)hard_ start_xmit，以及中斷處理函數(shù)等。有關(guān)device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（在內(nèi)核中也就是net_device）的詳細內(nèi)容，請參看/linux/include/linux/netdevice.h
2．初始化
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化主要是由device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的init函數(shù)指針所指的初始化函數(shù)來完成的。當內(nèi)核啟動或加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊的時候，就會調(diào)用初始化過程。這個過程將首先檢測網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備是否存在。它通過檢測物理設(shè)備的硬件特征來完成，然后再對設(shè)備進行資源配置。這些完成之后就要構(gòu)造設(shè)備的device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用檢測到的數(shù)值來對device中的變量初始化。這一步很重要。最后向Linux內(nèi)核注冊該設(shè)備并申請內(nèi)存空間。
3． 數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收
數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中兩個最關(guān)鍵的過程。對這兩個過程處理的好壞將直接影響到驅(qū)動程序的整體運行質(zhì)量。圖1中也很明確地說明了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸過程。首先在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動加載時，通過device域中的init函數(shù)指針調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化函數(shù)，對設(shè)備進行初始化。如果操作成功就可以通過device域中的open函數(shù)指針調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的打開函數(shù)打開設(shè)備，再通過device域中的建立硬件包頭函數(shù)指針hard_header來建立硬件包頭信息。最后通過協(xié)議接口層函數(shù)dev_queue_xmit（詳見/linux/net/core/dev.c）來調(diào)用device域中的hard_start_xmit函數(shù)指針，完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送。該函數(shù)將把存放在套接字緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到物理設(shè)備。該緩沖區(qū)是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)sk_buff （詳見/linux/include/linux/sk_buff.h）來表示的。
數(shù)據(jù)包的接收是通過中斷機制來完成的。當有數(shù)據(jù)到達時，就產(chǎn)生中斷信號，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動功能層就調(diào)用中斷處理程序，即數(shù)據(jù)包接收程序來處理數(shù)據(jù)包的接收。然后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層調(diào)用netif_rx函數(shù)（詳見/linux/net/core/dev.c），把接收到的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的上層進行處理。
實現(xiàn)模式
實現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動功能主要有兩種形式：一是通過內(nèi)核來進行加載，當內(nèi)核啟動的時候，就開始加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序，內(nèi)核啟動完成之后，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動功能也隨即實現(xiàn)了；再就是通過模塊加載的形式。比較兩者，第二種形式更加靈活。在此著重對模塊加載形式進行討論。
模塊設(shè)計是Linux中特有的技術(shù)，它使Linux內(nèi)核功能更容易擴展。采用模塊來設(shè)計Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序會很輕松，并且能夠形成固定的模式。任何人只要依照這個模式去設(shè)計，都能設(shè)計出優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。先簡要介紹一下基于模塊加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計步驟，后面還結(jié)合具體實例來講解。首先通過模塊加載命令insmod來把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序插入到內(nèi)核之中。然后，insmod將調(diào)用init_module()函數(shù)首先對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的init函數(shù)指針初始化，再通過調(diào)用register_netdev()函數(shù)在Linux系統(tǒng)中注冊該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如果成功，再調(diào)用init函數(shù)指針所指的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化函數(shù)來對設(shè)備初始化，將設(shè)備的device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)插入到dev_base鏈表的末尾。最后可以通過執(zhí)行模塊卸載命令rmmod，來調(diào)用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中的cleanup_module()函數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序模塊進行卸載。具體實現(xiàn)過程見圖2所示。
通過模塊初始化網(wǎng)絡(luò)接口是在編譯內(nèi)核時標記為編譯為模塊。系統(tǒng)在啟動時并不知道該接口的存在，需要用戶在/etc/rc.d/目錄中定義的初始啟動腳本中寫入命令或手動將模塊插入內(nèi)核空間來激活網(wǎng)絡(luò)接口。這也給我們在何時加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序提供了靈活性。
應(yīng)用實例
我們以NE2000兼容網(wǎng)卡為例，來具體介紹基于模塊的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的設(shè)計過程。可以參考文件linux/drivers/net/ne.c和linux/drivers/net/8390.c。
1.模塊加載和卸載
NE2000網(wǎng)卡的模塊加載功能由init_module（）函數(shù)完成。具體過程及解釋如下：
int init_module(void)
{
int this_dev, found = 0;
//循環(huán)檢測ne2000類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口
for (this_dev = 0; this_dev < MAX_NE_CARDS; this_dev++)
{
//獲得網(wǎng)絡(luò)接口對應(yīng)的net-device結(jié)構(gòu)指針
struct net_device *dev = &dev_ne[this_dev];
dev->irq = irq[this_dev]; //初始化該接口的中斷請求號
dev->mem_end = bad[this_dev]; //初始化接收緩沖區(qū)的終點位置
dev->base_addr = io[this_dev]; //初始化網(wǎng)絡(luò)接口的I/O基地址
dev->init = ne_probe; //初始化init為ne_probe，后面介紹此函數(shù)
//調(diào)用registre_netdevice（）向系統(tǒng)登記網(wǎng)絡(luò)接口，在這個函數(shù)中將分配給網(wǎng)絡(luò)接口在系統(tǒng)中惟一
的名稱。并且將該網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備添加到系統(tǒng)管理的鏈表dev-base中進行管理。
if (register_netdev(dev) == 0) {
found++;
continue; }
… //省略
}
return 0;}
模塊卸載功能由cleanup_module()函數(shù)來實現(xiàn)。如下所示：
void cleanup_module(void)
{
int this_dev;
//遍歷整個dev-ne數(shù)組
for (this_dev = 0; this_dev < MAX_NE_CARDS; this_dev++) {
//獲得net-device結(jié)構(gòu)指針
struct net_device *dev = &dev_ne[this_dev];
if (dev->priv != NULL) {
void *priv = dev->priv;
struct pci_dev *idev = (struct pci_dev *)ei_status.priv;
//調(diào)用函數(shù)指針 idev->deactive將已經(jīng)激活的網(wǎng)卡關(guān)閉使用
if (idev) idev->deactivate(idev);
free_irq(dev->irq, dev);
//調(diào)用函數(shù)release_region()釋放該網(wǎng)卡占用的I/O地址空間
release_region(dev->base_addr, NE_IO_EXTENT);
//調(diào)用unregister_netdev()注銷 這個net_device()結(jié)構(gòu)
unregister_netdev(dev);
kfree(priv); //釋放priv空間
}
}
}
2．網(wǎng)絡(luò)接口初始化
實現(xiàn)此功能是由ne_probe()函數(shù)來完成的。前面已經(jīng)提到過，在init_module()函數(shù)中用它來初始化init函數(shù)指針。它主要對網(wǎng)卡進行檢測，并且初始化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息，用于后面的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。具體過程及解釋如下：
int __init ne_probe(struct net_device *dev)
{
unsigned int base_addr = dev->base_addr;
//初始化dev-owner成員，因為使用模塊類型驅(qū)動，會將dev-owner指向?qū)ο髆odules結(jié)構(gòu)指針。
SET_MODULE_OWNER(dev);
//檢測dev->base_addr是否合法，是則執(zhí)行ne-probe1（）函數(shù)檢測過程。不是，則需要自動檢測。
if (base_addr > 0x1ff)
return ne_probe1(dev, base_addr);
else if (base_addr != 0)
return -ENXIO;
//如果有ISAPnP設(shè)備，則調(diào)用ne_probe_isapnp（）檢測這種類型的網(wǎng)卡。
if (isapnp_present() && (ne_probe_isapnp(dev) == 0))
return 0;
…//省略
return -ENODEV;
}
這其中兩個函數(shù)ne_probe_isapnp()和ne_probe19()的區(qū)別在于檢測中斷號上。PCI方式只需指定I/O基地址就可以自動獲得IRQ，是由BIOS自動分配的；而ISA方式需要獲得空閑的中斷資源才能分配。
3．網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備打開和關(guān)閉
網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備打開就是激活網(wǎng)絡(luò)接口，使它能接收來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并且傳遞到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的上面，也可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。設(shè)備關(guān)閉就是停止操作。
在NE2000網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備打開由dev_open（）和ne_open（）完成，設(shè)備關(guān)閉有dev_close（）和ne_close（）完成。它們相應(yīng)調(diào)用底層函數(shù)ei_open（）和ei_close（）來完成。其實現(xiàn)過程相對簡單，不再贅述。