网卡工作原理

网卡工作原理

Linux操作系统的功能可以概括为进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、网络等几部分。所有的系统操作最终都可以映射到对物理设备的操作。除去对CPU、内存以及其他少数几个物理实体的操作之外，系统对其他设备的所有操作都通过专门的称为驱动程序的代码完成。系统中存在的每种外设在内核中都必须有对应的设备驱动程序对其进行处理。所以分析网卡的工作原理即是分析网卡的驱动程序。

网络是独立的一个模块。为了屏蔽网络环境中物理网络设备的多样性，Linux对所有的设备进行抽象并定义了一个统一的概念，称之为接口。所有对网络硬件的访问都是通过接口进行的，接口提供了一个对所有类型的硬件一致化的操作集合来处理基本数据发送和接收。一个网络接口被看作是一个发送和接收数据包的实体。对于每个网络接口，都用一个net_device的数据结构来表示。net_device中有很多提供系统访问和协议层调用的设备方法，包括提供设备初始化和往系统注册用的init函数，打开和关闭网络设备的open和stop函数，处理数据包发送的函数hard_start_xmit，以及中断处理函数。

所有被发送和接收的包都用数据结构sk_buff表示。要发送数据时，网络系统将分局系统路由表选择相应的网络接口进行数据传输；当接收数据包时，通过驱动程序登记的中断服务程序进行数据的接口处理。

Linux网络驱动程序崇尚倒下分为四层：协议接口层、网络设备接口层、设备驱动功能层、网络设备和网络媒介层。如下图所示：

网卡初始化

网络设备初始化主要工作时检测设备的存在、初始化描述设备的net_device结构及在系统中登记该设备。在系统初始化完成以后，系统检测到的网络设备将保存在链表dev_base中，其中每个链表单元net_device对应一个存在的物理网络设备。

初始化过程首先检测网络物理设备是否存在，这是通过检测物理设备的硬件特征来完成；然后对设备进行资源配置，这些完成之后就要构造设备的net_device数据结构，用检测到值对net_device中的变量初始化；最后Linux内核中注册该设备并申请内存空间。

 

网卡的打开与关闭

为了使用网络设备，需要打开网卡，打开和关闭的一个接口是由shell命令ifconfig调用的，而ifconfig则要调用一个通用的设备打开函数dev_open（net/core/dev.c），相应的还有一个dev_close函数，这两个函数提供独立于设备的操作接口的打开和关闭功能。一般打开函数执行的操作包括注册中断函数，分配并初始化网卡所需要的接收与发送缓冲区，启动硬件检查网络连接线状态等。

 

数据包的发送与接收

数据包的发送和接收是实现Linux网络驱动程序中两个最关键的过程。

当物理网络设备接收到数据是，系统通过两种途径解决这个问题。一种方法是轮询方式，另一种方式是中断法师。

在轮询方式中，系统每隔一定的时间间隔就去检查一次物理设备，若设备有数据到达，就调用读取数据的程序。Linux中通过定时器实现，但是此法有一个明显的缺点：不管设备是否有数据，系统总是要固定的消耗CPU资源去查看设备，并且可能对一些紧急数据处理予以延迟。从资源的利用率以及工作的效率上看都不是最优的。

中断方式利用硬件体系结构的中断机制实现设备和系统的应答对话，即当物理设备需要CPU处理数据时，就向CPU发送一个终端信号，系统则在收到信号后调用相应的中断服务程序响应对设备中断的处理。因此，基本在所有的网络设备驱动程序中都是用中断方式的。

每一个网卡上都有一块FIFO存储器，对于NIC（Network Interface Controller），FIFO存储器是用来通过系统总线传送数据到系统存储器之前，缓存从LAN上接收到的数据。对与快速以太网还有一个直接内存存取（DMA：Directly Memory Access）控制器，用于提供对系统存储器的可靠访问。

驱动为网卡分配一个环形缓冲区，在一段连续的物理内存中实现。

1、  数据接收

（1）       接收来自MAC的数据包，先暂存于片内FIFO接收队列；

（2）       当接收器达到早期接收上线时就移至环形缓冲区；

（3）       待整个数据包全部从FIFO移至缓存后，将接收状态寄存器和包长度写入接收的数据包头部，并更新CBA（Current Buffer Address）寄存器的值；

（4）       CMD（Command）寄存器中的BufferEmpty位和ISR（中断状态寄存器）寄存器的ROK位置1，并发出ROK的中断；

（5）       ISR中断调用完成后，清除ISR（ROK）并更新CAPR（Current Address of Packet Read，指向接收缓存的已读取包的地址），完成本次接收。

2、  数据发送

（1）       将待传送的数据写入主存中一段连续的缓存空间，由OS配合驱动程序完成；

（2）       找到一个可用的描述器，并写入内容，包括该数据包的开始物理地址和传输状态字（包的大小、可传送下限、OWN位）；

（3）       OWN位有效，将数据从缓存移至片内FIFO队列；

（4）       当FIFO队列中的数据达到早期传送下限，NIC的传送单元就会启动，将数据顺序输出至线路；

（5）       当整个数据包都已经传至FIFO，OWN位置1；

（6）       当整个数据包都已经传至线路上， TOK寄存器置1；

（7）       当TOK（IMR）和TOK（ISR）多置1，就发出TOK中断；

（8）       TOK中断调用完成以后，清除TSD状态字，完成本次传送。

 

可以看出，网卡需要发送/接收数据，都必须以中断的方式告诉系统，系统处理中断后做出相应操作。

网卡存在一定大小的FIFO存储器，同时还有缓冲区，缓冲区是由系统以及驱动共同分配一段连续的物理内存，所有的发送/接收的数据，都必须通过FIFO已经缓冲区，只有一包数据都发送成功后，才能继续发送下一包数据。系统维护缓冲区，只有当缓冲区有空间时才会接受上层来的数据，而网卡处理数据的速率远高于接收数据的最大速率，因此在网卡上不会存在堵塞情况。

对编程而言，在应用层调用传输层函数send/sendto，使用套接字传送数据，屏蔽了底层的所有实现。此时，send/sendto函数是没有阻塞的，只要调用，必然有返回值，成功返回发送数据的长度，失败则返回负值（失败的主要原因是网络连接的问题），因此可能存在数据丢失的现象，需要写程序的时候保证数据的传输成功。但是只有send/sendto函数返回后，程序才会执行下一次发送，因此编程时没必要考虑数据会在传输层上出现阻塞。