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Linux内核2.4.x的网络接口源码的结构

王朝system·作者佚名  2006-11-24
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一.前言

Linux的[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码里,网络接口的实现部份是非常值得一读的,通过读[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码,不仅对网络协议会有更深的了解,也有助于在网络编程的时候,对应用函数有更精确的了解和把握。

本文把重点放在网络接口程序的总体结构上,希望能作为读[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码时一些指导性的文字。

本文以Linux2.4.16内核作为讲解的对象,内核[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码可以在http://www.kernel.org上下载。我读[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码时参考的是http://lxr.linux.no/这个交差参考的网站,我个人认为是一个很好的工具,如果有条件最好上这个网站。

二.网络接口程序的结构

Linux的网络接口分为四部份:网络设备接口部份,网络接口核心部份,网络协议族部份,以及网络接口socket层。

网络设备接口部份主要负责从物理介质接收和发送数据。实现的文件在linu/driver/net目录下面。

网络接口核心部份是整个网络接口的关键部位,它为网络协议提供统一的发送接口,屏蔽各种各样的物理介质,同时有负责把来自下层的包向合适的协议配送。它是网络接口的中枢部份。它的主要实现文件在linux/net/core目录下,其中linux/net/core/dev.c为主要管理文件。

网络协议族部份是各种具体协议实现的部份。Linux支持TCP/IP,IPX,X.25,AppleTalk等的协议,各种具体协议实现的[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码在linux/net/目录下相应的名称。在这里主要讨论TCP/IP(IPv4)协议,实现的[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码在linux/net/ipv4,其中linux/net/ipv4/af_inet.c是主要的管理文件。

网络接口Socket层为用户提供的网络服务的编程接口。主要的[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码在linux/net/socket.c

三.网络设备接口部份

物理层上有许多不同类型的网络接口设备, 在文件include/linux/if_arp.h的28行里定义了ARP能处理的各种的物理设备的标志符。网络设备接口要负责具体物理介质的控制,从物理介质接收以及发送数据,并对物理介质进行诸如最大数据包之类的各种设置。这里我们以比较简单的3Com3c501 太网卡的驱动程序为例,大概讲一下这层的工作原理。[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码在Linux/drivers/net/3c501.c。

我们从直觉上来考虑,一个网卡当然最主要的是完成数据的接收和发送,在这里我们来看看接收和发送的过程是怎么样的。

发送相对来说比较简单,在Linux/drivers/net/3c501.c的行475 开始的el_start_xmit()这个函数就是实际向3Com3c501以太网卡发送数据的函数,具体的发送工作不外乎是对一些寄存器的读写,[url=http://www.pccode.net].net" class="wordstyle"源码的注释很清楚,大家可以看看。

接收的工作相对来说比较复杂。通常来说,一个新的包到了,或者一个包发送完成了,都会产生一个中断。Linux/drivers/net/3c501.c的572开始el_interrupt()的函数里面,前半部份处理的是包发送完以后的汇报,后半部份处理的是一个新的包来的,就是说接收到了新的数据。el_interrupt()函数并没有对新的包进行太多的处理,就交给了接收处理函数el_receive()。el_receive()首先检查接收的包是否正确,如果是一个“好”包就会为包分配一个缓冲结构(dev_alloc_skb()),这样驱动程序对包的接收工作就完成了,通过调用上层的函数netif_rx()(net/core/dev.c1214行) ,把包交给上层。

现在驱动程序有了发送和接收数据的功能了,驱动程序怎么样和上层建立联系呢?就是说接收到包以后怎么送给上层,以及上层怎么能调用驱动程序的发送函数呢?

由下往上的关系,是通过驱动程序调用上层的netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)函数实现的,驱动程序通过这个函数把接到的数据交给上层,请注意所有的网卡驱动程序都需要调用这个函数的,这是网络接口核心层和网络接口设备联系的桥梁。

由上往下的关系就复杂点。网络接口核心层需要知道有多少网络设备可以用,每个设备的函数的入口地址等都要知道。网络接口核心层会大声喊,“嘿,有多少设备可以帮我发送数据包?能发送的请给我排成一队!”。这一队就由dev_base开始,指针structnet_device *dev_base (Linux/include/linux/netdevice.h 436行)就是保存了网络接口核心层所知道的所有设备。对于网络接口核心层来说,所有的设备都是一个net_device结构,它在include/linux/netdevice.h,line 233里被定义,这是从网络接口核心层的角度看到的一个抽象的设备,我们来看看网络接口核心层的角度看到的网络设备具有的功能:

struct net_device {

………

open()

stop()

hard_start_xmit()

hard_header()

rebuild_header()

set_mac_address()

do_ioctl()

set_config()

hard_header_cache()

header_cache_update()

change_mtu()

tx_timeout()

hard_header_parse()

neigh_setup()

accept_fastpath()

………

}

如果网络接口核心层需要由下层发送数据的时候,在dev_base找到设备以后,就直接调dev->hard_start_xmit()的这个函数来让下层发数据包。

驱动程序要让网络接口核心层知道自己的存在,当然要加入dev_base所指向的指针链,然后把自己的函数以及各种参数和net_device里的相应的域对应起来。加入dev_base所指向的指针链是通过函数register_netdev(&dev_3c50)(linux/drivers/net/net_init.c, line 532)

建立的。而把自己的函数以和net_device里的相应的域及各种参数关系的建立是在el1_probe1()(Linux/drivers/net/3c501.c)里进行的:

el1_probe1(){

………

dev->open = &el_open;

dev->hard_start_xmit = &el_start_xmit;

dev->tx_timeout = &el_timeout;

dev->watchdog_timeo = HZ;

dev->stop = &el1_close;

dev->get_stats = &el1_get_stats;

dev->set_multicast_list = &set_multicast_list;

………

ether_setup(dev);

………

}

进一步的对应工作在ether_setup(dev) (drivers/net/net_init.c, line 405 )里进行。我们注意到dev->hard_start_xmit =&el_start_xmit,这样发送函数的关系就建立了,上层只知道调用dev->hard_start_xmit这个来发送数据,上面的语句就把驱动程序实际的发送函数告诉了上层。

四.网络接口核心部分

刚才谈论了驱动程序怎么和网络接口核心层衔接的。网络接口核心层知道驱动程序以及驱动程序的函数的入口是通过*dev_base指向的设备链的,而下层是通过调用这一层的函数netif_rx()(net/core/dev.c

1214行) 把数据传递个这一层的。

网络接口核心层的上层是具体的网络协议,下层是驱动程序,我们以及解决了下层的关系,但和上层的关系没有解决。先来讨论一下网络接口核心层和网络协议族部份的关系,这种关系不外乎也是接收和发送的关系。

网络协议,例如IP,ARP等的协议要发送数据包的时候会把数据包传递给这层,那么这种传递是通过什么函数来发生的呢?网络接口核心层通过dev_queue_xmit()(net/core/dev.c,line975)这个函数向上层提供统一的发送接口,也就是说无论是IP,还是ARP协议,通过这个函数把要发送的数据传递给这一层,想发送数据的时候就调用这个函数就可以了。dev_queue_xmit()做的工作最后会落实到dev->hard_start_xmit(),而dev->hard_start_xmit()会调用实际的驱动程序来完成发送的任务。例如上面的例子中,调用dev->hard_start_xmit()实际就是调用了el_start_xmit()。

现在讨论接收的情况。网络接口核心层通过的函数netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)接收了上层发送来的数据,这时候当然要把数据包往上层派送。所有的协议族的下层协议都需要接收数据,TCP/IP的IP协议和ARP协议,SPX/IPX的IPX协议,AppleTalk的DDP和AARP协议等都需要直接从网络接口核心层接收数据,网络接口核心层接收数据是如何把包发给这些协议的呢?这时的情形和于下层的关系很相似,网络接口核心层的下面可能有许多的网卡的驱动程序,为了知道怎么向这些驱动程序发数据,前面以及讲过时,是通过*dev_base这个指针指向的链解决的,现在解决和上层的关系是通过static struct packet_ptype_base[16]( net/core/dev.c line 164)这个数组解决的。这个数组包含了需要接收数据包的协议,以及它们的接收函数的入口。

从上面可以看到,IP协议接收数据是通过ip_rcv()函数的,而ARP协议是通过arp_rcv()的,网络接口核心层只要通过这个数组就可以把数据交给上层函数了。

如果有协议想把自己添加到这个数组,是通过dev_add_pack()(net/core/dev.c, line233)函数,从数组删除是通过dev_remove_pack()函数的。Ip层的注册是在初始化函数进行的void __init ip_init(void) (net/ipv4/ip_output.c, line 1003)

{

………

dev_add_pack(&ip_packet_type);

………

}

重新到回我们关于接收的讨论,网络接口核心层通过的函数netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)接收了上层发送来的数据,看看这个函数做了些什么。

由于现在还是在中断的服务里面,所有并不能够处理太多的东西,剩下的东西就通过cpu_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ)

交给软中断处理, 从open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL)可以知道NET_RX_SOFTIRQ软中断的处理函数是net_rx_action()(net/core/dev.c, line 1419)[1] [url=http://www.chinamx.com.cn/Article/os/Linux/200605/20060530123631_28531_2.html][2] [3] 下一页

 
 
 
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