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Linux网络设备分析

Linux网络设备分析

[摘要] 在本文中，首先概括了网络设备总体特征和工作原理，接着在分析了一个重要的数据结构device后，重点剖析了网络设备的整个初始化工作过程；简单地分析了设备的打开和关闭的操作后，是有关数据包的传输和接收的分析；在最后，本文对写网络设备驱动程序做了一个总结。以上的每部分的分析，都是在NE2000以太网卡的基础上进行的。在附录中是一个虚拟的字符设备驱动程序以及写这个程序的体会，该程序已成功使用过，它是在网络设备分析之前本人做的一个小小的试验。

网络设备概述

在LINUX中，为了简化对设备的管理，所有外围的硬件设备被归结为三类：字符设备(如键盘、鼠标等)、块设备(如硬盘、光驱、软驱等)和网络设备(也称为网络接口，network inferface)，如以太网卡。在本文中，我们将等效使用“网络设备”和“网络接口”这两个概念，而对某个具体的网络设备，我们将称之为“物理设备”或“物理网络设备”。

为了屏蔽网络环境中物理网络设备的多样性，LINUX对所有的物理设备进行抽象并定义了一个统一的概念，称之为接口(Interface)。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的发送和接收。一个网络接口被看作是一个发送和接收数据包(packets)的实体。对于每个网络接口，都用一个device的数据结构表示，有关该数据结构的具体内容，将在本文的后面详细介绍。通常，网络设备是一个物理设备如以太网卡，但软件也可以作为网络设备，如回送设备(loopback)。在内核启动时，通过网络设备驱动程序，将登记存在的网络设备。设备用标准的支持网络的机制来转递收到的数据到相应的网络层。所有被发送和接收的包都用数据结构sk_buff表示。这是一个具有很好的灵活性的数据结构，可以很容易增加或删除网络协议数据包的首部。

网络设备作为其中的三类设备之一，它有其非常特殊的地方。它与字符设备及块设备都有很大的不同：

网络接口不存在于Linux的文件系统中，而是在核心中用一个device数据结构表示的。每一个字符设备或块设备则在文件系统中都存在一个相应的特殊设备文件来表示该设备，如/dev/hda1、/dev/sda1、/dev/tty1等。网络设备在做数据包发送和接收时，直接通过接口访问，不需要进行文件的操作；而对字符设备和块设备的访问都需通过文件操作界面。

网络接口是在系统初始化时实时生成的，对于核心支持的但不存在的物理网络设备，将不可能有与之相对应的device结构。而对于字符设备和块设备，即使该物理设备不存在，在/dev下也必定有相应的特殊文件与之相对应。且在系统初始化时，核心将会对所有内核支持的字符设备和块设备进行登记，初始化该设备的文件操作界面(struct file_operations)，而不管该设备在物理上是否存在。

以上两点是网络设备与其他设备之间存在的最主要的不同。然而，它们之间又有一些共同之处，如在系统中一个网络设备的角色和一个安装的块设备相似。一个块设备在blk_dev数组及核心其他的数据结构中登记自己，然后根据请求，通过自己的request_function函数“发送”和“接收”数据块。相似地，为了能与外面世界进行数据交流，一个网络接口也必须在一个特殊的数据结构中登记自己。

在系统内核中，存在字符设备管理表chardevs和块设备管理表blkdevs，这两张保存着指向file_operations结构的指针的设备管理表，分别用来描述各种字符驱动程序和块设备驱动程序。类似地，在内核中也存在着一张网络接口管理表dev_base，但与前两张表不同，dev_base是指向device结构的指针，因为网络设备是通过device数据结构来表示的。dev_base实际上是一条device结构链表的表头，在系统初始化完成以后，系统检测到的网络设备将自动地保存在这张链表中，其中每一个链表单元表示一个存在的物理网络设备。当要发送数据时，网络子系统将根据系统路由表选择相应的网络接口进行数据传输，而当接收到数据包时，通过驱动程序登记的中断服务程序进行数据的接收处理(软件网络接口除外)。以下是网络设备工作原理图：

图一 Linux网络设备工作原理图

每一个具体的网络接口都应该有一个名字，以在系统中能唯一标识一个网络接口。通常一个名字仅表明该接口的类型。Linux对网络设备命名有以下约定：(其中N为一个非负整数)

ethN以太网接口，包括10Mbps和100Mbps；

trN令牌环接口；

slN SLIP网络接口；

pppNPPP网络接口，包括同步和异步；

plipNPLIP网络接口，其中N与打印端口号相同；

tunlNIPIP压缩频道网络接口；

nrN NetROM虚