1.概述
Linux系统多用于服务器上，Linux非常牢固的支持网络。在Linux,网络分为两个层，分别是网络堆栈协议支持层，以及接收和发送网络协议的设备驱动程序层。网络堆栈是硬件中独立出来的部分，主要用来支持TCP/IP等多种协议，而网络设备驱动层是连接网络堆栈协议层和网络硬件的中间层。
网络设备驱动程序的主要功能是:
(1)模块加载或内核启动相关的初始化处理
(2)清除模块时的处理
(3)网络设备的检索和探测
(4)网络设备的初始化和注册
(5)打开或关闭网络设备
(6)发送网络数据
(7)接收网络数据
(8)中断处理(在发送完数据时，硬件向内核产生一个中断，告诉内核数据已经发送完毕，在网络设备接收到数据时，也要发生一个中断，告诉内核，数据已经到达，请及时处理)
(9)超时处理
(10)多播处理
(11)网络设备的控制ioctl
而Linux网络设备驱动的主要功能就是网络设备的初始化，网络设备的配置，数据包的收发。
2. Linux网络设备驱动的接口函数
net_device结构体存储一个网络接口的重要信息，它是系统中网络设备的代表。
sk_buff是socket buffer，在网络传输过程中起着重要的作用，内核把数据包封装成socket buffer向网络硬件发送，当网络硬件接收到数据包时，再把数据包封装成socket buffer向内核传送。
注册网络设备:
int register_netdev(struct net_device *dev);//网络设备与字符设备，块设备不同，没有主，次设备号
注销网络设备:
void unregister_netdev(struct net_device *dev);
返回网络设备结构体的private data：
void *netdev_priv(struct net_device *dev);
即返回我们定义的设备结构体。
保存设备统计信息的结构体
struct net_device_stats
打开发送队列，能够发送数据包,在open()中调用
netif_start_queue(struct net_device *dev);
关闭发送队列，在stop()中调用
netif_stop_queue(struct net_device* dev);
重新打开队列，一般在关闭队列之后重启队列
netif_wake_queue(struct net_device *dev);
当数据到达时，通知内核数据包到达
void netif_rx(struct sk_buff *skb);
分配一个sk_buff结构体
struct sk_buff *dev_alloc_skb(unsigned int len);
释放sk_buff结构体
void dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb);
从数据的尾部扩展len长度的空间，为了把数据放到skb的尾部
unsigned char* skb_put(struct sk_buff *skb,int len);
SIOCDEVPRIVATE 可用ioctl执行的16个命令的第一个命令
最后一个是SIOCDEVPRIVATE＋15
3.下面给出一个虚拟硬件的网络驱动的例子
#undef PDEBUG /* undef it, just in case */ #ifdef SNULL_DEBUG # ifdef __KERNEL__ /* This one if debugging is on, and kernel space */ # define PDEBUG(fmt, args...) printk( KERN_DEBUG "snull: " fmt, ## args) # else /* This one for user space */ # define PDEBUG(fmt, args...) fprintf(stderr, fmt, ## args) # endif #else # define PDEBUG(fmt, args...) /* not debugging: nothing */ #endif #undef PDEBUGG #define PDEBUGG(fmt, args...) /* nothing: it's a placeholder */ /* These are the flags in the statusword */ #define SNULL_RX_INTR 0x0001 #define SNULL_TX_INTR 0x0002 /* Default timeout period */ #define SNULL_TIMEOUT 6 /* In jiffies */ #include <linux/module.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/kernel.h> /* printk() */ #include <linux/slab.h> /* kmalloc() */ #include <linux/errno.h> /* error codes */ #include <linux/types.h> /* size_t */ #include <linux/interrupt.h> /* mark_bh */ #include <linux/in.h> #include <linux/netdevice.h> /* struct device, and other headers */ #include <linux/etherdevice.h> /* eth_type_trans */ #include <linux/ip.h> /* struct iphdr */ #include <linux/tcp.h> /* struct tcphdr */ #include <linux/skbuff.h> #include <linux/if_ether.h> #include <linux/in6.h> #include <asm/uaccess.h> #include <asm/checksum.h> static int lockup = 0; static int timeout = SNULL_TIMEOUT; struct net_device snull_devs[2];//这里定义两个设备，一个是snull0,一个是snull1 //网络设备结构体,作为net_device->priv struct snull_priv { struct net_device_stats stats;//有用的统计信息 int status;//网络设备的状态信息，是发完数据包，还是接收到网络数据包 int rx_packetlen;//接收到的数据包长度 u8 *rx_packetdata;//接收到的数据 int tx_packetlen;//发送的数据包长度 u8 *tx_packetdata;//发送的数据 struct sk_buff *skb;//socket buffer结构体，网络各层之间传送数据都是通过这个结构体来实现的 spinlock_t lock;//自旋锁 }; void snull_tx_timeout (struct net_device *dev); //网络接口的打开函数 int snull_open(struct net_device *dev) { printk("call snull_open/n"); memcpy(dev->dev_addr, "/0SNUL0", ETH_ALEN);//分配一个硬件地址，ETH＿ALEN是网络设备硬件地址的长度 netif_start_queue(dev);//打开传输队列，这样才能进行数据传输 return 0; } int snull_release(struct net_device *dev) { printk("call snull_release/n"); netif_stop_queue(dev); //当网络接口关闭的时候，调用stop方法，这个函数表示不能再发送数据 return 0; } //接包函数 void snull_rx(struct net_device *dev, int len, unsigned char *buf) { struct sk_buff *skb; struct snull_priv *priv = (struct snull_priv *) dev->priv; /* * The packet has been retrieved from the transmission * medium. Build an skb around it, so upper layers can handle it */ skb = dev_alloc_skb(len+2);//分配一个socket buffer,并且初始化skb->data,skb->tail和skb->head if (!skb) { printk("snull rx: low on mem - packet dropped/n"); priv->stats.rx_dropped++; return; } skb_reserve(skb, 2); /* align IP on 16B boundary */ memcpy(skb_put(skb, len), buf, len);//skb_put是把数据写入到socket buffer /* Write metadata, and then pass to the receive level */ skb->dev = dev; skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);//返回的是协议号 skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY; //此处不校验 priv->stats.rx_packets++;//接收到包的个数＋1 priv->stats.rx_bytes += len;//接收到包的长度 netif_rx(skb);//通知内核已经接收到包，并且封装成socket buffer传到上层 return; } /* * The typical interrupt entry point */ //中断处理，此程序中没有硬件，因此，没有真正的硬件中断，只是模拟中断，在发送完网络数据包之后，会产生中断 //用来通知内核已经发送完数据包，当新的数据包到达网络接口时，会发生中断，通知新的数据包已经到来了 void snull_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { int statusword;//用来标识是发送完毕还是接收到新的数据包 struct snull_priv *priv; /* * As usual, check the "device" pointer for shared handlers. * Then assign "struct device *dev" */ struct net_device *dev = (struct net_device *)dev_id; /* ... and check with hw if it's really ours */ if (!dev /*paranoid*/ ) return; /* Lock the device */ priv = (struct snull_priv *) dev->priv; spin_lock(&priv->lock); /* retrieve statusword: real netdevices use I/O instructions */ statusword = priv->status; if (statusword & SNULL_RX_INTR) {//如果是接收 /* send it to snull_rx for handling */ snull_rx(dev, priv->rx_packetlen, priv->rx_packetdata); } if (statusword & SNULL_TX_INTR) {//如果发送完毕 /* a transmission is over: free the skb */ priv->stats.tx_packets++; priv->stats.tx_bytes += priv->tx_packetlen; dev_kfree_skb(priv->skb);//释放skb 套接字缓冲区 } /* Unlock the device and we are done */ spin_unlock(&priv->lock); return; } /* * Transmit a packet (low level interface) */ //真正的处理的发送数据包 //模拟从一个网络向另一个网络发送数据包 void snull_hw_tx(char *buf, int len, struct net_device *dev) { /* * This function deals with hw details. This interface loops * back the packet to the other snull interface (if any). * In other words, this function implements the snull behaviour, * while all other procedures are rather device-independent */ struct iphdr *ih;//ip头部 struct net_device *dest;//目标设备结构体，net_device存储一个网络接口的重要信息，是网络驱动程序的核心 struct snull_priv *priv; u32 *saddr, *daddr;//源设备地址与目标设备地址 /* I am paranoid. Ain't I? */ if (len < sizeof(struct ethhdr) + sizeof(struct iphdr)) { printk("snull: Hmm... packet too short (%i octets)/n", len); return; } /* * Ethhdr is 14 bytes, but the kernel arranges for iphdr * to be aligned (i.e., ethhdr is unaligned) */ ih = (struct iphdr *)(buf+sizeof(struct ethhdr)); saddr = &ih->saddr; daddr = &ih->daddr; //在同一台机器上模拟两个网络，不同的网段地址，进行发送网络数据包与接收网络数据包 ((u8 *)saddr)[2] ^= 1; /* change the third octet (class C) ^是位异或操作符把第三个部分的网络地址与1进行异或，由于同一网络的数据不进行转发*/ ((u8 *)daddr)[2] ^= 1; ih->check = 0; /* and rebuild the checksum (ip needs it) */ ih->check = ip_fast_csum((unsigned char *)ih,ih->ihl); if (dev == snull_devs) PDEBUGG("x:i --> x:i/n", ntohl(ih->saddr),ntohs(((struct tcphdr *)(ih+1))->source), ntohl(ih->daddr),ntohs(((struct tcphdr *)(ih+1))->dest)); else PDEBUGG("x:i <-- x:i/n", ntohl(ih->daddr),ntohs(((struct tcphdr *)(ih+1))->dest), ntohl(ih->saddr),ntohs(((struct tcphdr *)(ih+1))->source)); /* * Ok, now the packet is ready for transmission: first simulate a * receive interrupt on the twin device, then a * transmission-done on the transmitting device */ dest = snull_devs + (dev==snull_devs ? 1 : 0);//如果dev是0，那么dest就是1,如果dev是1，那么dest是0 priv = (struct snull_priv *) dest->priv;//目标dest中的priv priv->status = SNULL_RX_INTR; priv->rx_packetlen = len; priv->rx_packetdata = buf; snull_interrupt(0, dest, NULL); priv = (struct snull_priv *) dev->priv; priv->status = SNULL_TX_INTR; priv->tx_packetlen = len; priv->tx_packetdata = buf; if (lockup && ((priv->stats.tx_packets + 1) % lockup) == 0) { /* Simulate a dropped transmit interrupt */ netif_stop_queue(dev); PDEBUG("Simulate lockup at %ld, txp %ld/n", jiffies, (unsigned long) priv->stats.tx_packets); } else snull_interrupt(0, dev, NULL); } /* * Transmit a packet (called by the kernel) */ //发包函数 int snull_tx(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev) { int len; char *data; struct snull_priv *priv = (struct snull_priv *) dev->priv; if ( skb == NULL) { PDEBUG("tint for %p, skb %p/n", dev, skb); snull_tx_timeout (dev); if (skb == NULL) return 0; } len = skb->len < ETH_ZLEN ? ETH_ZLEN : skb->len;//ETH_ZLEN是所发的最小数据包的长度 data = skb->data;//将要发送的数据包中数据部分 dev->trans_start = jiffies; //保存当前的发送时间 priv->skb = skb; snull_hw_tx(data, len, dev);//真正的发送函数 return 0; /* Our simple device can not fail */ } /* * Deal with a transmit timeout. */ //一旦超出watchdog_timeo就会调用snull_tx_timeout void snull_tx_timeout (struct net_device *dev) { printk("call snull_tx_timeout/n"); struct snull_priv *priv = (struct snull_priv *) dev->priv; PDEBUG("Transmit timeout at %ld, latency %ld/n", jiffies, jiffies - dev->trans_start); priv->status = SNULL_TX_INTR; snull_interrupt(0, dev, NULL);//超时后发生中断 priv->stats.tx_errors++;//发送的错误数 netif_wake_queue(dev); //为了再次发送数据，调用此函数，重新启动发送队列 return; } /* * Ioctl commands */ int snull_ioctl(struct net_device *dev, struct ifreq *rq, int cmd) { PDEBUG("ioctl/n"); return 0; } /* * Return statistics to the caller */ struct net_device_stats *snull_stats(struct net_device *dev) { struct snull_priv *priv = (struct snull_priv *) dev->priv; return &priv->stats;//得到统计资料信息 } //设备初始化函数 int snull_init(struct net_device *dev) { printk("call snull_init/n"); /* * Then, assign other fields in dev, using ether_setup() and some * hand assignments */ ether_setup(dev);//填充一些以太网中的设备结构体的项 dev->open = snull_open; dev->stop = snull_release; //dev->set_config = snull_config; dev->hard_start_xmit = snull_tx; dev->do_ioctl = snull_ioctl; dev->get_stats = snull_stats; //dev->change_mtu = snull_change_mtu; // dev->rebuild_header = snull_rebuild_header; //dev->hard_header = snull_header; dev->tx_timeout = snull_tx_timeout;//超时处理 dev->watchdog_timeo = timeout; /* keep the default flags, just add NOARP */ dev->flags |= IFF_NOARP; dev->hard_header_cache = NULL; /* Disable caching */ SET_MODULE_OWNER(dev); /* * Then, allocate the priv field. This encloses the statistics * and a few private fields. */ //为priv分配内存 dev->priv = kmalloc(sizeof(struct snull_priv), GFP_KERNEL); if (dev->priv == NULL) return -ENOMEM; memset(dev->priv, 0, sizeof(struct snull_priv)); spin_lock_init(& ((struct snull_priv *) dev->priv)->lock); return 0; } struct net_device snull_devs[2] = { { init: snull_init, }, /* init, nothing more */ { init: snull_init, } }; int snull_init_module(void) { int i,result=0; strcpy(snull_devs[0].name,"snull0");//net_device结构体中的name表示设备名 strcpy(snull_devs[1].name,"snull1");//即定义了两个设备，snull0与snull1 for (i=0; i<2; i++) if ( (result = register_netdev(snull_devs+i)) )//注册设备 printk("snull: error %i registering device /"%s/"/n", result, snull_devs[i].name); return 0; } void snull_cleanup(void) { int i; for (i=0; i<2; i++) { kfree(snull_devs[i].priv); unregister_netdev(snull_devs+i); } return; } module_init(snull_init_module); module_exit(snull_cleanup);
分析:
这个例子中包括了以下部分:
(1)网络设备初始化 snull_init
(2)发送数据包函数snull_tx,而真正的发送数据包函数是snull_hw_tx,在snull_hw_tx,目标设备dest收到数据包产生中断，然后再向源设备发送数据包，发送完之后也产生中断
(3)接收数据包的函数snull_rx
(4)中断处理snull_interrupt
(5)网络超时处理snull_timeout
(6)网络设备的打开snull_open
测试:
(1)生成snull.ko, insmod snull.ko
(2)为两个网络设备分配IP：
ifconfig snull0 192.168.0.1
ifconfig snull1 192.168.1.2
可以看出，两个网络设备在不同的网段
ping 192.168.0.2 由于目标daddr经过((u8 *)daddr)[2] ^= 1，变成 192.168.1.2，相当于ping 192.168.1.2.
而源IP 192.168.0.1 经过((u8 *)saddr)[2] ^= 1，变成192.168.1.1,那么dest设备发送的数据包地址是192.168.1.1,相当于发送给192.168.0.1
如果不经过这样处理，直接ping 192.168.1.2 是不能ping 通的，由于不在同一个网段上。
可以测试一下car /var/log/messages.
关于Linux网络驱动就介绍到这里了。
