一：预备知识
关于I/O内存映射。
设备通过控制总线，数据总线，状态总线与CPU相连。控制总数传送控制信号，例如，网卡的启用。数据总线控制数据传输，例如，网卡发送数据，状态总数一般都是读取设备的当前状态，例如读取网卡的MAC地址。
在传统的操作中，都是通过读写设备寄存器的值来实现。但是这样耗费了CPU时钟。而且每取一次值都要读取设备寄存器，造成了效率的低下。在现代操作系统中。引用了I/O内存映射。即把寄存器的值映身到主存。对设备寄存器的操作，转换为对主存的操作，这样极大的提高了效率。
关于DMA
这是关于设备数据处理的一种方式。传统的处理方法为：当设备接收到数据，向CPU报告中断。CPU处理中断，把数据放到内存。
在现代操作系统中引入的DMA是指，设备接收到数据时，把数据放至DMA内存，再向CPU产生中断。这样节省了大量的CPU时间
关于软中断与NAPI
在现代操作系统中，对中断的处理速度要求越来越高。为了响应中断，将中断分为两部份，即上半部与下半部。上半部将数据推入处理队列，响应中断。然后再由下半部调度完成余下的任务。
NAPI是2.6新引入的一个概念，它在发生中断的时候，禁用中断。然后处理数据。之后，每隔一定的时候，它会主动向设备询用是否有数据要处理。
二：从网卡驱动说起。
以intel 100M 网卡驱动为例简要概述数据包的接收与发送流程。代码见（drivers/net/e100.c）
网卡是属于PCI设备，它的注册跟一般的PCI设备注册没什么两样。
static int __init e100_init_module(void)
{
if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {
printk(KERN_INFO PFX "%s, %s\n", DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);
printk(KERN_INFO PFX "%s\n", DRV_COPYRIGHT);
}
//注册PCI
return pci_module_init(&e100_driver);
}
其中e100_driver对应为网卡的pci_driver.
static struct pci_driver e100_driver = {
//驱动对应的名字
.name = DRV_NAME,
//匹配类型
.id_table = e100_id_table,
//侦测函数
.probe = e100_probe,
//移除函数，设备移除时将调用此函数
.remove = __devexit_p(e100_remove),
#ifdef CONFIG_PM
.suspend = e100_suspend,
.resume = e100_resume,
#endif
}
当总数探测到PCI设备符合e100_id_table中的参数时，将会调用e100_probe,开始设备的初始化
在e100_probe中：
static int __devinit e100_probe(struct pci_dev *pdev,
const struct pci_device_id *ent)
{
struct net_device *netdev;
struct nic *nic;
int err;
//分配net_device并为其赋值
//alloc_etherdev为以太网接口的net_device分配函数。它是alloc_netdev的封装函数
if(!(netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct nic)))) {
if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_PROBE)
printk(KERN_ERR PFX "Etherdev alloc failed, abort.\n");
return -ENOMEM;
}
//对netdev中的函数指针赋初值
netdev->open = e100_open;
netdev->stop = e100_close;
netdev->hard_start_xmit = e100_xmit_frame;
netdev->get_stats = e100_get_stats;
netdev->set_multicast_list = e100_set_multicast_list;
netdev->set_mac_address = e100_set_mac_address;
netdev->change_mtu = e100_change_mtu;
netdev->do_ioctl = e100_do_ioctl;
//支持ethtool工具时有效
SET_ETHTOOL_OPS(netdev, &e100_ethtool_ops);
netdev->tx_timeout = e100_tx_timeout;
netdev->watchdog_timeo = E100_WATCHDOG_PERIOD;
//轮询函数
netdev->poll = e100_poll;
netdev->weight = E100_NAPI_WEIGHT;
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
netdev->poll_controller = e100_netpoll;
#endif
//获得net_device私有数据区，并对其赋值
//私有数据大小是由alloc_etherdev（）参数中指定的
nic = netdev_priv(netdev);
nic->netdev = netdev;
nic->pdev = pdev;
nic->msg_enable = (1 << debug) - 1;
pci_set_drvdata(pdev, netdev);
//启动网卡.为之后DMA，I/O内存映射做准备
//它实际上是对PCI的控制寄存器赋值来实现的
if((err = pci_enable_device(pdev))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot enable PCI device, aborting.\n");
goto err_out_free_dev;
}
//获取该资源相关联的标志
//如果该设备存在I/O内存，则置IORESOURCE_MEM
if(!(pci_resource_flags(pdev, 0) & IORESOURCE_MEM)) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot find proper PCI device "
"base address, aborting.\n");
err = -ENODEV;
goto err_out_disable_pdev;
}
//对PCI的6个寄存器都会调用资源分配函数进行申请
if((err = pci_request_regions(pdev, DRV_NAME))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot obtain PCI resources, aborting.\n");
goto err_out_disable_pdev;
}
//探制设备的DMA能力。如果设备支持DMA。pci_set_dma_mask返回0
pci_set_master(pdev);
if((err = pci_set_dma_mask(pdev, 0xFFFFFFFFULL))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "No usable DMA configuration, aborting.\n");
goto err_out_free_res;
}
SET_MODULE_OWNER(netdev);
SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev);
//映射设备对应的I/O。以后对设备寄存器的操作可以直接转换为对内存的操作
nic->csr = ioremap(pci_resource_start(pdev, 0), sizeof(struct csr));
if(!nic->csr) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot map device registers, aborting.\n");
err = -ENOMEM;
goto err_out_free_res;
}
if(ent->driver_data)
nic->flags |= ich;
else
nic->flags &= ~ich;
spin_lock_init(&nic->cb_lock);
spin_lock_init(&nic->cmd_lock);
//设置定时器。
init_timer(&nic->watchdog);
nic->watchdog.function = e100_watchdog;
nic->watchdog.data = (unsigned long)nic;
init_timer(&nic->blink_timer);
nic->blink_timer.function = e100_blink_led;
nic->blink_timer.data = (unsigned long)nic;
//为nic->mem建立线性DMA。只是在支持ethtool的时候才有用
if((err = e100_alloc(nic))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot alloc driver memory, aborting.\n");
goto err_out_iounmap;
}
//对nic成员赋初值
e100_get_defaults(nic);
e100_hw_reset(nic);
e100_phy_init(nic);
//读取网卡的EEPROM。其中存放着网卡的MAC地址。
//对EEPROM是通过对I/O映射内存的操作实现的，即nic->csr
if((err = e100_eeprom_load(nic)))
goto err_out_free;
//设置netdev->dev_addr
memcpy(netdev->dev_addr, nic->eeprom, ETH_ALEN);
if(!is_valid_ether_addr(netdev->dev_addr)) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Invalid MAC address from "
"EEPROM, aborting.\n");
err = -EAGAIN;
goto err_out_free;
}
/* Wol magic packet can be enabled from eeprom */
if((nic->mac >= mac_82558_D101_A4) &&
(nic->eeprom[eeprom_id] & eeprom_id_wol))
nic->flags |= wol_magic;
pci_enable_wake(pdev, 0, nic->flags & (wol_magic | e100_asf(nic)));
//注册网络设备
if((err = register_netdev(netdev))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot register net device, aborting.\n");
goto err_out_free;
}
DPRINTK(PROBE, INFO, "addr 0x%lx, irq %d, "
"MAC addr %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\n",
pci_resource_start(pdev, 0), pdev->irq,
netdev->dev_addr[0], netdev->dev_addr[1], netdev->dev_addr[2],
netdev->dev_addr[3], netdev->dev_addr[4], netdev->dev_addr[5]);
return 0;
err_out_free:
e100_free(nic);
err_out_iounmap:
iounmap(nic->csr);
err_out_free_res:
pci_release_regions(pdev);
err_out_disable_pdev:
pci_disable_device(pdev);
err_out_free_dev:
pci_set_drvdata(pdev, NULL);
free_netdev(netdev);
return err;
}
它主要完成：对网应对应的net net_device赋初值。并向内核调用register_netdev完成网络设备的注册，网络设备注册我们在上一节中已经说过，这里不再赘述。
看一下net_device中几个关键的函数：
//在设备将打开的时候，调用此函数
netdev->open = e100_open;
//在设备停用的时候调用此函数
netdev->stop = e100_close;
//设备发送数据的时候调用此函数
netdev->hard_start_xmit = e100_xmit_frame;
到此时，网卡的初始化工作已经完成了。之后就可以操作网卡了。
那网卡应该怎么使用呢？必须首先唤起网卡，即使之UP，例如 ifconfig eth0 up
此时，内核会根据接口名字“eth0”找到对应的net_device.然后调用 net_device-> open.即：e100_open。
分析如下：
static int e100_open(struct net_device *netdev)
{
struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
int err = 0;
//网卡正在UP，关闭载波信号
netif_carrier_off(netdev);
if((err = e100_up(nic)))
DPRINTK(IFUP, ERR, "Cannot open interface, aborting.\n");
return err;
}
我们关心的是e100_up。跟踪如下：
static int e100_up(struct nic *nic)
{
int err;
//分配收包队列
if((err = e100_rx_alloc_list(nic)))
return err;
//分配控制队列
if((err = e100_alloc_cbs(nic)))
goto err_rx_clean_list;
//硬件初始化
if((err = e100_hw_init(nic)))
goto err_clean_cbs;
//多播
e100_set_multicast_list(nic->netdev);
//开始接收数据
e100_start_receiver(nic);
mod_timer(&nic->watchdog, jiffies);
//注册中断例程
if((err = request_irq(nic->pdev->irq, e100_intr, SA_SHIRQ,
nic->netdev->name, nic->netdev)))
goto err_no_irq;
//启用中断
e100_enable_irq(nic);
netif_wake_queue(nic->netdev);
return 0;
err_no_irq:
del_timer_sync(&nic->watchdog);
err_clean_cbs:
e100_clean_cbs(nic);
err_rx_clean_list:
e100_rx_clean_list(nic);
return err;
}
在此函数中，我们可以看到，它主要完成了：接立接收环形DMA缓冲区。注册了中断处理函数
关于环形DMA缓冲区接立是由e100_rx_alloc_list(nic)完成的
static int e100_rx_alloc_list(struct nic *nic)
{
struct rx *rx;
// nic->params.rfds.count,接收缓存的总个数
unsigned int i, count = nic->params.rfds.count;
//rx_to_use：正在存在数据的位置
//rx_to_clean：数据的初始为止。所以。数据的有限位置是从rx_to_use到rx_to_use
nic->rx_to_use = nic->rx_to_clean = NULL;
if(!(nic->rxs = kmalloc(sizeof(struct rx) * count, GFP_ATOMIC)))
return -ENOMEM;
memset(nic->rxs, 0, sizeof(struct rx) * count);
//遍历并建立循环链表
for(rx = nic->rxs, i = 0; i < count; rx++, i++) {
rx->next = (i + 1 < count) ? rx + 1 : nic->rxs;
rx->prev = (i == 0) ? nic->rxs + count - 1 : rx - 1;
if(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)) {
e100_rx_clean_list(nic);
return -ENOMEM;
}
}
//初始化起如位置为nic->rxs
nic->rx_to_use = nic->rx_to_clean = nic->rxs;
return 0;
}
为设备建立DMA映射的主函数为e100_rx_alloc_skb().分析如下：
static inline int e100_rx_alloc_skb(struct nic *nic, struct rx *rx)
{
unsigned int rx_offset = 2; /* u32 align protocol headers */
if(!(rx->skb = dev_alloc_skb(RFD_BUF_LEN + rx_offset)))
return -ENOMEM;
/* Align, init, and map the RFD. */
rx->skb->dev = nic->netdev;
//在数据存储区之前空出offset空间
skb_reserve(rx->skb, rx_offset);
//skb->data前部置RFD
memcpy(rx->skb->data, &nic->blank_rfd, sizeof(struct rfd));
//DMA内存映射，映射至skb->data
rx->dma_addr = pci_map_single(nic->pdev, rx->skb->data,
RFD_BUF_LEN, PCI_DMA_BIDIRECTIONAL);
/* Link the RFD to end of RFA by linking previous RFD to
l this one, and clearing EL bit of previous. */
//初始化前一个skb中的控制信息
if(rx->prev->skb) {
struct rfd *prev_rfd = (struct rfd *)rx->prev->skb->data;
put_unaligned(cpu_to_le32(rx->dma_addr),
(u32 *)&prev_rfd->link);
wmb();
prev_rfd->command &= ~cpu_to_le16(cb_el);
pci_dma_sync_single_for_device(nic->pdev, rx->prev->dma_addr,
sizeof(struct rfd), PCI_DMA_TODEVICE);
}
return 0;
}
在这个函数里，主要完成了：DMA环形链表的建立。在这里涉及到了一个重要的数据结构sk_buff.稍后再给出它的结构分析。在这里我们只要知道在skb->data里储存的是接收数据就OK了。值得一提的是，Intel 100M 网卡对接收数据的处理，跟平时遇到的网卡不一样，接收数据时会由接收控制RU写入接收信息，由此判断接收是否完全等信息。也就是我们在代码里面看到的rfd.所以，在skb->data对应的就是rfd+网络传过来的数据.
到这里，接收准备工作已经完成了。
sk_buff结构分析
sk_buff是我们遇到的第二个重要的结构，在内核中经常被缩写成skb.在linux 2.6.21它被定义成：
struct sk_buff {
//指向下一个skb
struct sk_buff *next;
//上一个skb
struct sk_buff *prev;
struct sk_buf0f_head *list;
//对应的sock。这也是个重要的结构，在传输层的时候我们再来分析
struct sock *sk;
//接收或者发送时间戳
struct timeval stamp;
//接收或者发送时对应的net_device
struct net_device *dev;
//接收的net_device
struct net_device *input_dev;
//数据包对应的真实net_device.关于虚拟设备可以在之后的网桥模式分析中讨论
struct net_device *real_dev;
//ip层的相关信息
union {
struct tcphdr *th;
struct udphdr *uh;
struct icmphdr *icmph;
struct igmphdr *igmph;
struct iphdr *ipiph;
struct ipv6hdr *ipv6h;
unsigned char *raw;
} h;
//协议层的相关信息
union {
struct iphdr *iph;
struct ipv6hdr *ipv6h;
struct arphdr *arph;
unsigned char *raw;
} nh;
//链路层的相关信息
union {
unsigned char *raw;
} mac;
//在路由子系统中再来分析这一结构
struct dst_entry *dst;
struct sec_path *sp;
/*
* This is the control buffer. It is free to use for every
* layer. Please put your private variables there. If you
* want to keep them across layers you have to do a skb_clone()
* first. This is owned by whoever has the skb queued ATM.
*/
char cb[40];
//各层的数据长度
unsigned int len,
data_len,
mac_len,
csum;
unsigned char local_df,
cloned,
pkt_type,
ip_summed;
__u32 priority;
unsigned short protocol,
security;
void (*destructor)(struct sk_buff *skb);
#ifdef CONFIG_NETFILTER
unsigned long nfmark;
__u32 nfcache;
__u32 nfctinfo;
struct nf_conntrack *nfct;
#ifdef CONFIG_NETFILTER_DEBUG
unsigned int nf_debug;
#endif
#ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER
struct nf_bridge_info *nf_bridge;
#endif
#endif /* CONFIG_NETFILTER */
#if defined(CONFIG_HIPPI)
union {
__u32 ifield;
} private;
#endif
#ifdef CONFIG_NET_SCHED
__u32 tc_index; /* traffic control index */
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
__u32 tc_verd; /* traffic control verdict */
__u32 tc_classid; /* traffic control classid */
#endif
#endif
/* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details. */
unsigned int truesize;
//引用计数
atomic_t users;
//存储空间的起始地址
unsigned char *head,
//网络数据的起始起址
*data,
//存放网络数据的结束地址
*tail,
//存储空间的结束地址
*end;
}
对应我们上面的网卡驱动分析。接收到的数据是存放在data至tail之间的区域。
Skb通常还有常用的几个函数，一一列举分析如下：
struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size,int gfp_mask)
分配存储空间为sixe的skb,内存分配级别为gfp_mask.注意这里的存储空间的含义，即为skb->data至skb->tail的区域
struct sk_buff *skb_clone(struct sk_buff *skb, int priority)
克隆出的skb指向同一个结构，同时会增加skb的引用计数
struct sk_buff *skb_copy(const struct sk_buff *skb, int priority)
复制一个全新的skb
void kfree_skb(struct sk_buff *skb)
当skb的引用计数为1的时候，释放此skb
unsigned char *skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
使skb的存储空间扩大len.即使tail指针下移
unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
push,即推出一段数据，使data指针下层。
void skb_reserve(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
该操作使data指针跟tail指针同时下移，即扩大存储区域之前的空间
int skb_headroom(const struct sk_buff *skb)
返回data之前可用的空间数量
int skb_tailroom(const struct sk_buff *skb)
返回缓存区中可用的空间大小
