【IT168 技术文档】

　　 一.前言

　　Linux的源码里，网络接口的实现部份是非常值得一读的，通过读源码，不仅对网络协议有更深的了解，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，内核源码可以在[http://www.kernel.org/]上下载。我读源码时参考的是[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，同时又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以太网卡的驱动程序为例，大概讲一下这层的工作原理。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475行开始的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，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。在Linux/drivers/net/3c501.c中的572行，开始的el_interrupt()函数里面，前半部份处理的是发送完包以后的汇报，后半部份处理的是一个新来的包，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() ／* 让下层发数据包 */
　　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; /**//* 下面注解的，就是此语句 */
　　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.c1214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，我们已经解决了下层的关系，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(网络接口核心层)，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)接收了下层发送来的数据，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，与该层和其下层的关系很相似，网络接口核心层的下面可能有许多的网卡驱动程序，为了知道怎么向这些驱动程序发数据，前面已经讲过，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)函数添加；从数组删除，则是通过dev_remove_pack()函数的。Ip层的注册是在初始化函数进行的void __initip_init(void)(net/ipv4/ip_output.c, line 1003) 。

...{
　　………
　　dev_add_pack(&ip_packet_type);
　　………
　　}

　　重新倒回我们关于接收的讨论，网络接include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，所以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)。net_rx_action()根据数据包的协议类型在数组ptype_base[16]里找到相应的协议，并从中知道了接收的处理函数，然后把数据包交给处理函数，这样就交给了上层处理，实际调用处理函数是通过net_rx_action()里的pt_prev->func()这一句。例如如果数据包是IP协议的话，ptype_base[ETH_P_IP]->func()(ip_rcv()),这样就把数据包交给了IP协议。