深入理解Linux网络技术内幕——设备的注册与初始化（一）

本是古典何须时尚 2022-08-06 16:18 262阅读 0赞

副标题：设备注册相关的基本结构的原理框架

# 设备注册与删除时间 #

设备在下列两种情况下进行注册：

1）加载NIC驱动时

2）插入热插拔设备时

这里NIC与热插拔设备有些不同。a.对于非热插拔NIC来说，NIC的注册是伴随着其驱动的发生的，而NIC可以内建到内核，也可以作为模块载入，如果内建入内核，则NIC设备和初始化均发生在引导时，如果NIC作为模块加载，则NIC的注册和驱动初始化均发生在模块加载时。b. 对于热插拔NIC设备来说，其驱动已经加载，因此设备的注册发生在插入设备，内核通知关联驱动时。

设备的注销主要发生在下面两种情况

1）卸载NIC驱动时(仅适用于以模块形式加载的设备）

2）拔出热插拔设备时

# 设备的注册于注销架构 #

下图分别描述了网络设备的注册和注销的大致流程，（ 以PCI Ethernet NIC为例， 其它网络类似，主要是名字差异）

![Center][]

![Image 1][]

首先调用alloc\_etherdev（即alloc\_netdev的包裹函数)，alloc\_etherdev会为所有Ethernet设备通用的参数做初始化，驱动程序会初始化net\_device的另一部分。之后以register\_netdev完成注册。

# net\_device #

## 分配net\_device ##

net\_device由alloc\_netdev分配空间

//include/linux/netdevice.h
    #define alloc_netdev(sizeof_priv, name, setup) \
        alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, name, setup, 1, 1)  
    //net/core/dev.c
    struct net_device *alloc_netdev_mqs(int sizeof_priv, const char *name,
            void (*setup)(struct net_device *),
            unsigned int txqs, unsigned int rxqs)

alloc\_netdev带三个参数：

sizeof\_priv: 因为net\_device可以由驱动程序拓展私有空间，此参数表示拓展的私有空间的大小

name：设备名字（名字的一部分，可能还有一部分由内核完成）

setup：用于初始化设备的一些参数

此处设备会被分配一个设备名字，改名字一般带有序号，以确保唯一性：如eth0，eth1 。

![Center 1][]

alloc\_netdev一般会有一些包裹函数对其进行包裹：

![Image 1][]

## 设备（net\_device)初始化 ##

net\_device结构非常庞大，其成员会有不同函数分批进行初始化。每个函数分别负责一组不同的字段子集。特别是下面三部分：

设备驱动程序：

如IRQ、IO内存及IO端口，其值取决于硬件配置，有设备驱动程序进行初始化。

设备类型：

同一设备类型的通用字段进行初始化，由XXX\_setup进行。（设备类型初始话属于设备驱动程序初始化一部分，XXX\_setup有XXX\_probe调用）

各种功能：

一部分在register\_device中进行，有一些在关联模块接到通知时进行。

## net\_device结构的组织 ##

alloc\_netdev第一个参数知名了私有数据块的大小，因此私有数据块会附加载net\_device结构后。即net\_device可以分为两部分，一部分是net\_device基础的数据，第二部分是私有数据块（如下图所以）。私有数据块的空间分配可以与net\_device第一部分数据空间一起完成（如驱动程序A、B），也可以有驱动程序自己分配（如驱动程序C）。

![Center 2][]

![Image 1][]

从图中可以看出，net\_device空间分配是，会有一块对其区域块（alignment padding），因此dev\_base（全局表的表头指针）以及net\_deivce中的next需要指向结构的开头，而非分配区域块的开头（即跳过填充区域块）。

net\_device插入在一个全局列表（以dev\_base开头）和两张哈希表中后面介绍（以dev\_name\_head和dev\_index\_head开头） 。

![Center 3][]

dev\_base：

全局表，内含所有net\_device设备，能让内核轻易的浏览所有设备。

dev\_name\_head：

hash表，以设备名称为索引，在使用老一代配置工具ioctl接口时极为有用。

dev\_index\_head：

hash表，以设备ID：dev->ifindex为索引。使用新一代配置工具ip（来自IPROUTER2套件时），ip工具会通过Netlink与内核交互，这是通常就以设备ID为索引了。

查询：

一般由 dev\_get\_by\_name 和dev\_get\_by\_index通过上面两张Hash表实现。有可能根据设备类型和mac地址通过全局表dev\_base列表实现。

所有查询都由 dev\_base\_lock锁进行保护

All lookup routines are defined innet/core/dev.c.

# 设备状态 #

net\_dev有多个字段用于定义设备当前状态：

flags     //用于各种标识的位域，多数标识代表设备拥有的能力，但IFF_UP特殊，标识设备开启或关闭，参见uapi/linux/if.h（IFF_XXX定义），并参考下文"开启和关闭网络设备“
    reg_state //设备注册状态,参见下文注册状态
    state     //和其他设备有关的设备状态，参见下文“队列规则状态”

设备注册状态：

NETREG_UNINITIALIZED //定义为0，net_device已分配， 且内容清0
    NETREG_REGISTERING    //net_device已添加到“net_device结构的组织”提及的结构内，但内核依然要想/sys添加项目
    NETREG_REGISTERED     //设备注册完成
    NETREG_UNREGISTERING  //net_device已由“net_device结构的组织”提及的结构内删除
    NETREG_UNREGISTERED   //设备完全除名
    NETREG_RELEASED       //所有对net_device结构的引用已释放

队列规则状态：

_ _LINK_STATE_START      //设备开启
    _ _LINK_STATE_PRESENT    //设备存在
    _ _LINK_STATE_NOCARRIER  //没有载波
    _ _LINK_STATE_LINKWATCH_EVENT  //设备状态已变更
    _ _LINK_STATE_XOFF             //以下三个标识由负责管理流量入口与出口的设备所使用
    _ _LINK_STATE_SHED             //
    _ _LINK_STATE_RX_SCHED         //

# 虚拟设备： #

虚拟设备与真实设备有几个地方有差异：

虚拟设备偶尔会调用register\_netdevice和unregister\_netdevice，而不是其包裹函数。并且自行上锁、解锁，以便获得更多的持有锁的时间。

真实设备不能由用户命令除名，而在卸载时自己除名。虚拟设备可以通过用户命令除名，但除名是否成功依赖于虚拟设备驱动设计。

虚拟设备本文就不太多介绍了，以后再单独补充一篇虚拟设备与真实设备的差异的博文

# 上锁： #

net\_devices包括一些上锁的手段，以后再补充了。。。

#     #

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