编写 Linux 网络驱动时，需要关注哪些关键的接口和数据结构？

闪客一族 2025-06-19 15:29:53

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在 Linux 内核中开发网络驱动时，需要理解并操作一系列关键的接口和数据结构。这些组件构成了驱动与内核网络子系统之间的桥梁，直接影响驱动的性能和功能。以下是核心接口和数据结构的详细解析：

一、核心数据结构

1. `struct net_device`

作用：表示一个网络设备的抽象，包含设备的基本信息（如名称、MAC地址）、状态和操作函数集。

关键字段：

struct net_device {
    char name[IFNAMSIZ];           // 设备名称（如eth0）
    unsigned char dev_addr[ETH_ALEN]; // MAC地址
    unsigned int flags;           // 设备标志（如IFF_UP、IFF_RUNNING）
    unsigned int mtu;             // 最大传输单元
    unsigned int tx_queue_len;    // 发送队列长度
    const struct net_device_ops *netdev_ops; // 操作函数集
    struct netdev_queue *_tx;     // 发送队列
    struct netdev_bus_info bus_info; // 总线信息
    // ... 其他字段
};

注意：现代驱动通常使用 alloc_netdev() 或 alloc_etherdev() 动态分配该结构，避免直接操作。

2. `struct net_device_ops`

作用：定义网络设备的操作函数集，驱动必须实现其中的关键回调函数。

核心函数：

struct net_device_ops {
    int (*ndo_init)(struct net_device *dev);    // 设备初始化
    void (*ndo_uninit)(struct net_device *dev);  // 设备释放
    int (*ndo_open)(struct net_device *dev);    // 设备打开
    int (*ndo_stop)(struct net_device *dev);    // 设备关闭
    netdev_tx_t (*ndo_start_xmit)(struct sk_buff *skb,  // 发送数据包
                                  struct net_device *dev);
    int (*ndo_set_mac_address)(struct net_device *dev,  // 设置MAC地址
                               void *addr);
    // ... 其他函数（如多播、VLAN处理等）
};

3. `struct sk_buff`（Socket Buffer）

作用：内核中表示网络数据包的核心数据结构，贯穿整个网络栈。

关键字段：

struct sk_buff {
    struct sk_buff *next;         // 链表指针
    unsigned char *head, *data, *tail, *end; // 数据缓冲区指针
    unsigned int len, data_len;   // 数据长度
    __be16 protocol;              // 协议类型（如ETH_P_IP）
    struct net_device *dev;       // 关联的网络设备
    // ... 其他字段（如时间戳、VLAN标签、校验和等）
};

注意：驱动负责填充或解析该结构，并通过 netif_rx() 或 napi_gro_receive() 将数据包注入内核。

二、发送路径关键接口

1. `ndo_start_xmit()`

功能：驱动发送数据包的核心回调函数，当上层协议（如TCP/IP）有数据需要发送时调用。

实现要点：

netdev_tx_t mydriver_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev) {
    // 1. 从skb中提取数据和元信息
    unsigned char *data = skb->data;
    unsigned int len = skb->len;
    
    // 2. 硬件操作：将数据写入网卡发送缓冲区
    mydriver_hw_tx(dev, data, len);
    
    // 3. 释放skb（驱动已接管数据）
    dev_kfree_skb(skb);
    
    // 4. 返回发送状态（通常为NETDEV_TX_OK）
    return NETDEV_TX_OK;
}

2. 发送队列管理

**netdev_tx_lock()/netdev_tx_unlock()**：锁定/解锁发送队列，确保线程安全。
**netif_stop_queue()/netif_wake_queue()**：暂停/恢复发送队列（如网卡忙时暂停队列）。

三、接收路径关键接口

1. 轮询模式（传统方式）

**netif_rx()**：将接收到的数据包注入内核网络栈。

void mydriver_rx_handler(struct net_device *dev, unsigned char *data, int len) {
    // 1. 分配skb
    struct sk_buff *skb = dev_alloc_skb(len + NET_IP_ALIGN);
    if (!skb) return;
    
    // 2. 复制数据到skb
    skb_reserve(skb, NET_IP_ALIGN);
    memcpy(skb_put(skb, len), data, len);
    
    // 3. 设置协议类型和设备
    skb->dev = dev;
    skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
    
    // 4. 提交到内核
    netif_rx(skb);
}

2. NAPI（New API，高性能方式）

作用：通过轮询替代中断，减少高流量下的中断开销。

关键步骤：

注册NAPI：在驱动初始化时调用 napi_add()。
中断处理：触发中断时调用 napi_schedule() 调度NAPI处理。

轮询处理：实现 napi_poll() 回调函数处理批量数据包。

static int mydriver_poll(struct napi_struct *napi, int budget) {
 struct net_device *dev = container_of(napi, struct mydriver, napi);
 int packets = 0;
 
 // 从硬件FIFO读取多个数据包
 while (packets < budget && mydriver_hw_rx_ready(dev)) {
     struct sk_buff *skb = mydriver_fetch_packet(dev);
     if (skb) {
         napi_gro_receive(napi, skb);
         packets++;
     }
 }
 
 // 如果处理完所有数据包，关闭NAPI轮询
 if (!mydriver_hw_rx_ready(dev)) {
     napi_complete(napi);
 }
 
 return packets;
}

四、设备初始化与资源管理

1. 设备注册与注销

**register_netdev()/unregister_netdev()**：注册/注销网络设备。
**alloc_etherdev()**：分配以太网设备（自动初始化常用字段）。

2. 中断管理

**request_irq()**：注册中断处理函数。
**free_irq()**：释放中断资源。

示例：

static irqreturn_t mydriver_irq_handler(int irq, void *dev_id) {
    struct net_device *dev = dev_id;
    
    // 检查中断类型并处理
    if (mydriver_hw_irq_is_rx(dev)) {
        // 接收中断处理
        mydriver_rx(dev);
    } else if (mydriver_hw_irq_is_tx(dev)) {
        // 发送完成中断处理
        mydriver_tx_complete(dev);
    }
    
    return IRQ_HANDLED;
}

五、高级特性接口

1. 多队列支持

**netdev_init_scheduler()**：初始化调度器，支持多队列。
**netdev_rx_queue_add()**：添加接收队列。

2. GRO（Generic Receive Offload）

作用：将多个小包合并为一个大包，减少上层处理开销。
接口：通过 napi_gro_receive() 和 napi_gro_complete() 实现。

3. VLAN支持

**vlan_dev_add_vlan()/vlan_dev_remove_vlan()**：添加/删除VLAN设备。
**vlan_put_tag()/vlan_get_tag()**：操作VLAN标签。

六、调试与性能优化

1. 统计信息

**dev->stats**：维护设备统计信息（如接收/发送数据包数、错误数）。

更新示例：

dev->stats.rx_packets++;
dev->stats.rx_bytes += len;

2. 调试工具

**printk()**：内核日志输出。
**dev_dbg()/dev_err()**：设备特定的调试/错误日志。
**ethtool**：通过实现 ndo_ethtool_ops 支持用户空间调试工具。

总结

开发 Linux 网络驱动时，核心是理解 net_device、net_device_ops 和 sk_buff 三者的关系，并正确实现发送和接收路径的关键回调函数。对于高性能场景，需重点关注 NAPI、多队列和 GRO 等优化机制。通过合理使用这些接口和数据结构，可构建出稳定、高效的网络驱动。