深度剖析Linux網(wǎng)卡數(shù)據(jù)收發(fā)過程分析（超詳細(xì)）
一般來說，網(wǎng)卡主要有兩個(gè)重要的功能：接收數(shù)據(jù) 和 發(fā)送數(shù)據(jù)。
所以，當(dāng)網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)包后，要通知 Linux 內(nèi)核有數(shù)據(jù)需要處理。另外，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)應(yīng)該提供讓 Linux 內(nèi)核把數(shù)據(jù)把發(fā)送出去的接口。
net_device 結(jié)構(gòu)是 Linux 為了適配不同類型的網(wǎng)卡設(shè)備而抽象出來的對(duì)象，不同的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)只需要按 Linux 的規(guī)范來填充 net_device 結(jié)構(gòu)的各個(gè)成員變量，Linux 內(nèi)核就能夠識(shí)別出網(wǎng)卡，并工作起來。
下面我們將分析網(wǎng)卡設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的實(shí)現(xiàn)原理。
net_device 結(jié)構(gòu)
net_device 結(jié)構(gòu)是 Linux 內(nèi)核對(duì)網(wǎng)卡設(shè)備的抽象，但由于歷史原因，net_device 結(jié)構(gòu)的定義十分復(fù)雜。
不過本文主要分析網(wǎng)卡設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)，所以不會(huì)分析 net_device 結(jié)構(gòu)的所有成員。下面主要列出收發(fā)數(shù)據(jù)相關(guān)的成員，如下：
下面介紹一下各個(gè)成員的作用：
name：設(shè)備的名字。用于在終端顯示設(shè)備的名字或者通過設(shè)備名字來搜索設(shè)備。
irq：中斷號(hào)。當(dāng)網(wǎng)卡從網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)包后，需要產(chǎn)生一個(gè)中斷來通知 Linux 內(nèi)核有數(shù)據(jù)包需要處理，而 irq 就是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到內(nèi)核中斷服務(wù)的中斷號(hào)。
init、open、stop：分別為設(shè)備的初始化接口，打開接口和關(guān)閉接口。
hard_start_xmit：當(dāng)需要通過網(wǎng)卡設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以調(diào)用這個(gè)接口來發(fā)送數(shù)據(jù)。
所以，一個(gè)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)必須完成以下兩個(gè)工作：
通過實(shí)現(xiàn) net_device 結(jié)構(gòu)的 hard_start_xmit 方法來提供發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。
通過向內(nèi)核注冊(cè)硬件中斷服務(wù)，來通知內(nèi)核處理網(wǎng)卡設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)包。
也就是說，發(fā)送數(shù)據(jù)的功能是由 net_device 結(jié)構(gòu)的 hard_start_xmit 方法提供，而通知內(nèi)核處理接收到的數(shù)據(jù)包的功能是由網(wǎng)卡的硬件中斷提供的。
圖1 展示了網(wǎng)卡接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程：
上圖展示的是 NS8390網(wǎng)卡 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程（紅色括號(hào)為接收過程，藍(lán)色括號(hào)為發(fā)送過程），從上圖可以發(fā)現(xiàn)，NS8390網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng) 完成了兩件事情：
將 net_device 結(jié)構(gòu)的 hard_start_xmit 方法設(shè)置為 ei_start_xmit。
向 Linux 內(nèi)核注冊(cè)了 ei_interrupt 硬件中斷服務(wù)。
所以，當(dāng)網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)觸發(fā) ei_interrupt 中斷服務(wù)來通知內(nèi)核有數(shù)據(jù)包需要處理。而當(dāng)需要通過網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)調(diào)用 ei_start_xmit 方法把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
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當(dāng)網(wǎng)卡從網(wǎng)絡(luò)中接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)觸發(fā) ei_interrupt 中斷服務(wù)，我們來看看 ei_interrupt 中斷服務(wù)的實(shí)現(xiàn)：
上面的代碼刪除了很多硬件相關(guān)的操作，因?yàn)楸疚牟⒉皇欠治鼍W(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。
ei_interrupt 中斷服務(wù)首先讀取中斷的類型，保存到 interrupts 變量中。然后判斷中斷類型是否為接收到數(shù)據(jù)包，如果是就調(diào)用 ei_receive 函數(shù)從網(wǎng)卡處讀取數(shù)據(jù)。
我們繼續(xù)分析 ei_receive 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
ei_receive 函數(shù)主要完成以下幾個(gè)工作：
申請(qǐng)一個(gè) sk_buff 數(shù)據(jù)包對(duì)象，并且設(shè)置其 dev 字段為接收數(shù)據(jù)包的設(shè)備。
通過調(diào)用 ei_block_input 函數(shù)從網(wǎng)卡中讀取接收到的數(shù)據(jù)，并保存到剛申請(qǐng)的 sk_buff 數(shù)據(jù)包對(duì)象中。ei_block_input 函數(shù)是由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，所以這里不作詳細(xì)分析。
通過調(diào)用 eth_type_trans 函數(shù)從數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)頭部中獲取網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議類型。
調(diào)用 netif_rx 函數(shù)將數(shù)據(jù)包上送給內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。
當(dāng)把數(shù)據(jù)包上送給內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧后，數(shù)據(jù)包的處理就由內(nèi)核接管。一般來說，內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)層的 IP協(xié)議 和傳輸層的 TCP協(xié)議 或者 UDP協(xié)議 來對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，處理完后就會(huì)把數(shù)據(jù)提交給應(yīng)用層的進(jìn)程進(jìn)行處理。
發(fā)送數(shù)據(jù)過程
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧需要通過網(wǎng)卡設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)調(diào)用 net_device 結(jié)構(gòu)的 hard_start_xmit 方法，而對(duì)于 NS8390網(wǎng)卡 來說，hard_start_xmit 方法會(huì)被設(shè)置為 ei_start_xmit 函數(shù)。
也就是說，使用 NS8390網(wǎng)卡 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，最終會(huì)調(diào)用 ei_start_xmit 函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。我們來看看 ei_start_xmit 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
刪減了硬件相關(guān)的操作后，ei_start_xmit 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)就非常簡單：
首先關(guān)閉網(wǎng)卡的硬件中斷，防止發(fā)送過程中受到硬件中斷的干擾。
調(diào)用 ei_block_output 函數(shù)把數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，此函數(shù)由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，這里不作詳細(xì)分析。
打開網(wǎng)卡的硬件中斷，讓網(wǎng)卡能夠繼續(xù)通知內(nèi)核。
總結(jié)
本文主要簡單的介紹了網(wǎng)卡設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程，而網(wǎng)卡設(shè)備的初始化過程并沒有涉及。當(dāng)然網(wǎng)卡設(shè)備的初始化過程也非常重要，會(huì)在后面的文章繼續(xù)分析。
