Linux网络协议栈之网络设备管理

Linux为何要对网络设备单独管理呢？这是因为。协议栈很多地方都会涉及到网络设备。小至IP地址的设置。大至IP路由的更新。都离不开高效的网络设备管理。将网络设备单独管理可以提高效率！ 　　 每个网络设备，在linux中都会对应一个数据结构,net_device。 就从这个结构说起Linux 2。6。21中，对net_device定义如下：

struct net_device
{
　　//设备的名称，例如常见的“eth0”等
　　 char　　　　　name[IFNAMSIZ];
　　 //共享内存的起始，结束地址
　　 unsigned long　　　mem_end; /* shared mem end　*/
　　 unsigned long　　　mem_start;　　/* shared mem start　　*/
　　 //网络设备的I/O基地址
　　 unsigned long　　　base_addr;　　/* device I/O address　*/
　　 //被赋予的中断号
　　 unsigned int　　　 irq;　　 /* device IRQ number　 */
　　 //在多端口设备上使用哪一个端口
　　 unsigned char　　　if_port; /* Selectable AUI, TP,..*/
　　 //为设备分配的DMA通道
　　 unsigned char　　　dma;　　 /* DMA channel　　　　 */
　　 //设备的状态
　　 unsigned long　　　state;
　　 // 下一个net_device
　　 struct net_device　*next;
　　 //初始化函数。
　　 int　　　　　 (*init)(struct net_device *dev);
　　 struct net_device　*next_sched;
　　 /* Interface index. Unique device identifier　 */
　　 //设备在内核中对应的序号
　　 int　　　　　 ifindex;
　　 int　　　　　 iflink;
　　 //获得接口状态的函数指针
　　 struct net_device_stats* (*get_stats)(struct net_device *dev);
　　 struct iw_statistics*　(*get_wireless_stats)(struct net_device *dev);
　　 struct iw_handler_def * wireless_handlers;
　　 struct ethtool_ops *ethtool_ops;
　　 //传输状态。检查传输是否被锁住
　　 unsigned long　　　trans_start;　/* Time (in jiffies) of last Tx　*/
　　 //最使使用的时间
　　 unsigned long　　　last_rx; /* Time of last Rx */
　　 //接口标志
　　 unsigned short　　　　 flags;　 /* interface flags (ala BSD)　　*/
　　 unsigned short　　　　 gflags;
　　　　unsigned short　　　　　priv_flags; /* Like 'flags' but invisible to userspace. */
　　　　unsigned short　　　　　unused_alignment_fixer; /* Because we need priv_flags,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 * and we want to be 32-bit aligned.
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　*/
　　 unsigned　　　mtu; /* interface MTU value　　　*/
　　 unsigned short　　　　 type;　　/* interface hardware type　*/
　　 unsigned short　　　　 hard_header_len;　 /* hardware hdr length */
　　 void　　　　　*priv;　 /* pointer to private data　*/
　　 struct net_device　*master; /* Pointer to master device of a group,
　　　　　　　　　　　 　* which this device is member of.
　　　　　　　　　　　 　*/
　　 /* Interface address info. */
　　 unsigned char　　　broadcast[MAX_ADDR_LEN];　　/* hw bcast add　　*/
　　 unsigned char　　　dev_addr[MAX_ADDR_LEN]; /* hw address */
　　 unsigned char　　　addr_len; /* hardware address length　*/
　　 struct dev_mc_list *mc_list; /* Multicast mac addresses　*/
　　 int　　　　　 mc_count; /* Number of installed mcasts　　*/
　　 int　　　　　 promiscuity;
　　 int　　　　　 allmulti;
　　 int　　　　　 watchdog_timeo;
　　 struct timer_list　watchdog_timer;
　　 /* Protocol specific pointers */
　　 void 　　　　　　　*atalk_ptr;　 /* AppleTalk link */
　　 void　　　　　*ip_ptr; /* IPv4 specific data　*/　
　　 void　　　　　　　　　　*dn_ptr;　　　　/* DECnet specific data */
　　 void　　　　　　　　　　*ip6_ptr;　　　 /* IPv6 specific data */
　　 void　　　　　*ec_ptr; /* Econet specific data */
　　 void　　　　　*ax25_ptr;　　/* AX.25 specific data */
　　 struct list_head　 poll_list;　　/* Link to poll list　 */
　　 int　　　　　 quota;
　　 int　　　　　 weight;
　　 struct Qdisc　　　 *qdisc;
　　 struct Qdisc　　　 *qdisc_sleeping;
　　 struct Qdisc　　　 *qdisc_ingress;
　　 struct list_head　 qdisc_list;
　　 unsigned long　　　tx_queue_len; /* Max frames per queue allowed */
　　 /* ingress path synchronizer */
　　 spinlock_t　　　　 ingress_lock;
　　 /* hard_start_xmit synchronizer */
　　 spinlock_t　　　　 xmit_lock;
　　 /* cpu id of processor entered to hard_start_xmit or -1,
　　 　 if nobody entered there.
　　 */
　　 int　　　　　 xmit_lock_owner;
　　 /* device queue lock */
　　 spinlock_t　　　　 queue_lock;
　　 /* Number of references to this device */
　　 atomic_t　　　refcnt;
　　 /* delayed register/unregister */
　　 struct list_head　 todo_list;
　　 /* device name hash chain */
　　 struct hlist_node　name_hlist;
　　 /* device index hash chain */
　　 struct hlist_node　index_hlist;
　　 /* register/unregister state machine */
　　 enum { NETREG_UNINITIALIZED=0,
　　 　　　 NETREG_REGISTERING,　/* called register_netdevice */
　　 　　　 NETREG_REGISTERED,　 /* completed register todo */
　　 　　　 NETREG_UNREGISTERING,　　 /* called unregister_netdevice */
　　 　　　 NETREG_UNREGISTERED, /* completed unregister todo */
　　 　　　 NETREG_RELEASED,　　 /* called free_netdev */
　　 } reg_state;
　　 /* Net device features */
　　 int　　　　　 features;
#define NETIF_F_SG　　 1　　/* Scatter/gather IO. */
#define NETIF_F_IP_CSUM　　 2　　/* Can checksum only TCP/UDP over IPv4. */
#define NETIF_F_NO_CSUM　　 4　　/* Does not require checksum. F.e. loopack. */
#define NETIF_F_HW_CSUM　　 8　　/* Can checksum all the packets. */
#define NETIF_F_HIGHDMA　　 32　 /* Can DMA to high memory. */
#define NETIF_F_FRAGLIST　　64　 /* Scatter/gather IO. */
#define NETIF_F_HW_VLAN_TX　128　/* Transmit VLAN hw acceleration */
#define NETIF_F_HW_VLAN_RX　256　/* Receive VLAN hw acceleration */
#define NETIF_F_HW_VLAN_FILTER　 512　/* Receive filtering on VLAN */
#define NETIF_F_VLAN_CHALLENGED　1024 /* Device cannot handle VLAN packets */
#define NETIF_F_TSO　　　　 2048 /* Can offload TCP/IP segmentation */
#define NETIF_F_LLTX　　　　4096 /*
LockLess
TX
*/
　　 /* Called after device is detached from network. */
　　 void　　　　　(*uninit)(struct net_device *dev);
　　 /* Called after last user reference disappears. */
　　 void　　　　　(*destructor)(struct net_device *dev);
　　 /* Pointers to interface service routines.　　 */
　　 //打开函数指针
　　 int　　　　　 (*open)(struct net_device *dev);
　　 //设备停用时调用此函数
　　 int　　　　　 (*stop)(struct net_device *dev);
　　 //初始化数据包的传输
　　 int　　　　　 (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,
　　　　　　　　　　　　　　　　struct net_device *dev);
#define HAVE_NETDEV_POLL
　　 //轮询函数
　　 int　　　　　 (*poll) (struct net_device *dev, int *quota);
　　 //建立硬件头信息
　　 int　　　　　 (*hard_header) (struct sk_buff *skb,
　　　　　　　　　　　　　　struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　　　　unsigned short type,
　　　　　　　　　　　　　　void *daddr,
　　　　　　　　　　　　　　void *saddr,
　　　　　　　　　　　　　　unsigned len);
　　 //ARP解析之后，重构头部
　　 int　　　　　 (*rebuild_header)(struct sk_buff *skb);
#define HAVE_MULTICAST　　　
　　 //多播支持函数　　
　　 void　　　　　(*set_multicast_list)(struct net_device *dev);
#define HAVE_SET_MAC_ADDR　　　　
　　 int　　　　　 (*set_mac_address)(struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　　　　　 void *addr);
#define HAVE_PRIVATE_IOCTL
　　 int　　　　　 (*do_ioctl)(struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　 　　struct ifreq *ifr, int cmd);
#define HAVE_SET_CONFIG
　　 int　　　　　 (*set_config)(struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　 　　　struct ifmap *map);
#define HAVE_HEADER_CACHE
　　 int　　　　　 (*hard_header_cache)(struct neighbour *neigh,
　　　　　　　　　　　　　　　　 struct hh_cache *hh);
　　 void　　　　　(*header_cache_update)(struct hh_cache *hh,
　　　　　　　　　　　　　　　　　 struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　　　　　　　 unsigned char *　haddr);
#define HAVE_CHANGE_MTU
　　 int　　　　　 (*change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu);
#define HAVE_TX_TIMEOUT
　　 void　　　　　(*tx_timeout) (struct net_device *dev);
　　 void　　　　　(*vlan_rx_register)(struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　　　　　　struct vlan_group *grp);
　　 void　　　　　(*vlan_rx_add_vid)(struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　　　　　 unsigned short vid);
　　 void　　　　　(*vlan_rx_kill_vid)(struct net_device *dev,
　　　　　　　　　　　　　　　　unsigned short vid);
　　 int　　　　　 (*hard_header_parse)(struct sk_buff *skb,
　　　　　　　　　　　　　　　　 unsigned char *haddr);
　　 int　　　　　 (*neigh_setup)(struct net_device *dev, struct neigh_parms *);
　　 int　　　　　 (*accept_fastpath)(struct net_device *, struct dst_entry*);
#ifdef CONFIG_NETPOLL
　　 int　　　　　 netpoll_rx;
#endif
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
　　 void　　　　　　　　　　(*poll_controller)(struct net_device *dev);
#endif
　　 /* bridge stuff */
　　 //对应的网桥端口（以后分析）
　　 struct net_bridge_port *br_port;
#ifdef CONFIG_NET_DIVERT
　　 /* this will get initialized at each interface type init routine */
　　 struct divert_blk　*divert;
#endif /* CONFIG_NET_DIVERT */
　　 /* class/net/name entry */
　　 struct class_device　　class_dev;
　　 /* how much padding had been added by alloc_netdev() */
　　 int padded;
}

　　太多的成员。太庞大了。不要紧，等到要使用到相应成员的时候再来解释好了。

注意到这么庞大的结构中，有个成员叫： struct net_device　*next,呵呵，很熟悉吧，就是用它来建立网络设备的链表。每一个网络设备启动的时候，都会调用register_netdev（）(drivers/net/net_init.c)

跟踪这个函数：

int register_netdev(struct net_device *dev)
{
　　 int err;
　　 rtnl_lock();
　　 /*
　　 *　 If the name is a format string the caller wants us to
　　 *　 do a name allocation
　　 */
　　 if (strchr(dev->name, '%'))
　　 {
　　　　 err = dev_alloc_name(dev, dev->name);
　　　　 if (err < 0)
　　　　　　　goto out;
　　 }
　　 /*
　　 *　 Back compatibility hook. Kill this one in 2.5
　　 */
　　 if (dev->name[0]==0 || dev->name[0]==' ')
　　 {
　　　　 err = dev_alloc_name(dev, "eth%d");
　　　　 if (err < 0)
　　　　　　　goto out;
　　 }
　　 err = register_netdevice(dev);
out:
　　 rtnl_unlock();
　　 return err;
}

跟踪至: register_netdevice(struct net_device *dev)　(net/core/dev.c)

int register_netdevice(struct net_device *dev)
{
　　 struct hlist_head *head;
　　 struct hlist_node *p;
　　 int ret;
　　 BUG_ON(dev_boot_phase);
　　 ASSERT_RTNL();
　　 /* When net_device's are persistent, this will be fatal. */
　　 BUG_ON(dev->reg_state != NETREG_UNINITIALIZED);
　　 spin_lock_init(&dev->queue_lock);
　　 spin_lock_init(&dev->xmit_lock);
　　 dev->xmit_lock_owner = -1;
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
　　 spin_lock_init(&dev->ingress_lock);
#endif
　　 ret = alloc_divert_blk(dev);
　　 if (ret)
　　　　 goto out;
　　 dev->iflink = -1;
　　 /* Init, if this function is available */
　　 //如果dev -> init 被赋值，那么调用此函数
　　 if (dev->init) {
　　　　 ret = dev->init(dev);
　　　　 if (ret) {
　　　　　　　if (ret > 0)
　　　　　　　　　 ret = -EIO;
　　　　　　　goto out_err;
　　　　 }
　　 }
　　 //判断name 是否合法
　　 if (!dev_valid_name(dev->name)) {
　　　　 ret = -EINVAL;
　　　　 goto out_err;
　　 }
　　 //为此设备分配一个index
　　 dev->ifindex = dev_new_index();
　　 if (dev->iflink == -1)
　　　　 dev->iflink = dev->ifindex;
　　 /* Check for existence of name */
　　 //所有网络设备，以名字作为哈希主键存在dev_name_head中，该变量是一个哈希数组
　　 //找到该名字对应的链表
　　 //如果内核中已经含有此名字的网络设备，出错退出
　　 head = dev_name_hash(dev->name);
　　 hlist_for_each(p, head) {
　　　　 struct net_device *d
　　　　　　　= hlist_entry(p, struct net_device, name_hlist);
　　　　 if (!strncmp(d->name, dev->name, IFNAMSIZ)) {
　　　　　　　ret = -EEXIST;
　　　　　　　goto out_err;
　　　　 }
　　 }
　　 /* Fix illegal SG+CSUM combinations. */
　　 if ((dev->features & NETIF_F_SG) &&
　　 　　!(dev->features & (NETIF_F_IP_CSUM |
　　　　　　　　　　 NETIF_F_NO_CSUM |
　　　　　　　　　　 NETIF_F_HW_CSUM))) {
　　　　 printk("%s: Dropping NETIF_F_SG since no checksum feature.n",
　　　　 　　　 dev->name);
　　　　 dev->features &= ~NETIF_F_SG;
　　 }
　　 /*
　　 *　 nil rebuild_header routine,
　　 *　 that should be never called and used as just bug trap.
　　 */
　　 //为rebuild_header赋默认值
　　 if (!dev->rebuild_header)
　　　　 dev->rebuild_header = default_rebuild_header;
　　 /*
　　 *　 Default initial state at registry is that the
　　 *　 device is present.
　　 */
　　 set_bit(__LINK_STATE_PRESENT, &dev->state);
　　 dev->next = NULL;
　　 dev_init_scheduler(dev);
　　 write_lock_bh(&dev_base_lock);
　　 //初始化的时候，有struct net_device **dev_tail = &dev_base;
　　 //这段代码的意思实际就是：把dev加入dev_base为首结点队链表的尾部
　　 *dev_tail = dev;
　　 dev_tail = &dev->next;
　　 //把此结点加入到以名字为哈希主键的链表数组dev_name_head中
　　 hlist_add_head(&dev->name_hlist, head);
　　 //把此结点加到以序号为主键的链表数组dev_index_head中
　　 hlist_add_head(&dev->index_hlist, dev_index_hash(dev->ifindex));
　　 dev_hold(dev);
　　 dev->reg_state = NETREG_REGISTERING;
　　 write_unlock_bh(&dev_base_lock);
　　 /* Notify protocols, that a new device appeared. */
　　 //在通知链表上发送事件
　　 notifier_call_chain(&netdev_chain, NETDEV_REGISTER, dev);
　　 /* Finish registration after unlock */
　　 net_set_todo(dev);
　　 ret = 0;
out:
　　 return ret;
out_err:
　　 free_divert_blk(dev);
　　 goto out;
}

从此可以看出。新加入一个设备时，会插入三个位置：以名字为哈希值组织的dev_name_head ,以序号为主链的哈希数组dev_index_head.还有dev_base.它为快速查找网络设备提供了基础。事实上。在内核中，经常要根据index找到dev. 或者根据name找到dev.我们遇到的时候再分析到现在，我们可以在内核中顺藤摸瓜的找到每一个网络设备了。还有很重要的。设备更改了配置，要怎么通知跟他相关的子系统呢？例如，网卡更新了IP，如何使路由得到更新？接着往下看：注意到上面注册代码中所调用的一个函数notifier_call_chain(&netdev_chain, NETDEV_REGISTER, dev).该函数的作用是，在通知链表上netdev_chain上发送NETDEV_REGISTER消息，所有在与该通知链表关联的子系统都可以收到此消息。以此，可以快速的更新整个系统的配置消息。以路由子系统为例，来讲述该过程：在IPV4子系统加载的时候，加调用ip_init(),接着调用fib_init()，然后再调用ip_fib_init()跟踪一下此函数：

void __init ip_fib_init(void)
{
#ifndef CONFIG_IP_MULTIPLE_TABLES
　　 ip_fib_local_table = fib_hash_init(RT_TABLE_LOCAL);
　　 ip_fib_main_table　= fib_hash_init(RT_TABLE_MAIN);
#else
　　 fib_rules_init();
#endif
　　 register_netdevice_notifier(&fib_netdev_notifier);
　　 register_inetaddr_notifier(&fib_inetaddr_notifier);
}

register_netdevice_notifier是做什么的呢？

往下跟踪：

int register_netdevice_notifier(struct notifier_block *nb)
{
　　 struct net_device *dev;
　　 int err;
　　 rtnl_lock();
　　 //注册通知链
　　 err = notifier_chain_register(&netdev_chain, nb);
　　 if (!err) {
　　　　 for (dev = dev_base; dev; dev = dev->next) {
　　　　　　　nb->notifier_call(nb, NETDEV_REGISTER, dev);
　　　　　　　if (dev->flags & IFF_UP)
　　　　　　　　　 nb->notifier_call(nb, NETDEV_UP, dev);
　　　　 }
　　 }
　　 rtnl_unlock();
　　 return err;
}

呵呵，它在netdev_chain上注册了通知链，当此链上有事件发生时，会调用fib_netdev_notifiers中的相关信息处理，看一下fib_netdev_notifier的信息：

struct notifier_block fib_netdev_notifier = {
　　 .notifier_call =fib_netdev_event,
};

OK，现在越来越具体了，如果netdev_chain有事件，会调用fib_netdev_event处理。

继续跟踪：

static int fib_netdev_event(struct notifier_block *this, unsigned long event, void *ptr)
{
　　 struct net_device *dev = ptr;
　　 struct in_device *in_dev = __in_dev_get(dev);
　　 //设备注销
　　 if (event == NETDEV_UNREGISTER) {
　　　　 fib_disable_ip(dev, 2);
　　　　 return NOTIFY_DONE;
　　 }
　　 if (!in_dev)
　　　　 return NOTIFY_DONE;
　　 switch (event) {
　　 //设备UP
　　 case NETDEV_UP:
　　　　 for_ifa(in_dev) {
　　　　　　　fib_add_ifaddr(ifa);
　　　　 } endfor_ifa(in_dev);
#ifdef CONFIG_IP_ROUTE_MULTIPATH
　　　　 fib_sync_up(dev);
#endif
　　　　 rt_cache_flush(-1);
　　　　 break;
　　 //设备DOWN
　　 case NETDEV_DOWN:
　　　　 fib_disable_ip(dev, 0);
　　　　 break;
　　 //设备参数改变
　　 case NETDEV_CHANGEMTU:
　　 case NETDEV_CHANGE:
　　　　 rt_cache_flush(0);
　　　　 break;
　　 }
　　 return NOTIFY_DONE;
}

　　路由部份的代码将在后续的笔记中给出。至此，整个网络设备的架构非常的清晰了！