USB网卡收发数据分析

前言

网络子系统是 Linux 内核的重中之重。今天，我们从网卡驱动入手，开始网络子系统的探索之路。

硬件环境

树莓派3B+，搭载千兆网卡 LAN7515，不过其使用的是 USB2.0 通道（最高理论速度为480Mbps），官方给出 300Mbps 的以太网传输速率。

驱动

LAN7515 的驱动为 lan78xx，源码比较简单，就两个文件 ./linux/drivers/net/usb/lan78xx.c/h，编译后产生 lan78xx.ko 驱动文件。

驱动分析

1. USB 驱动注册

static struct usb_driver lan78xx_driver = {
	.name			= DRIVER_NAME,
	.id_table		= products,
	.probe			= lan78xx_probe,
	.disconnect		= lan78xx_disconnect,
	.suspend		= lan78xx_suspend,
	.resume			= lan78xx_resume,
	.reset_resume		= lan78xx_reset_resume,
	.supports_autosuspend	= 1,
	.disable_hub_initiated_lpm = 1,
};

module_usb_driver(lan78xx_driver);

LAN7515 是 USB 网卡，和 CPU 交互的接口为 USB，所以它是一个 USB 设备，要在内核注册它的 USB 驱动——lan78xx.ko。

insmod lan78xx.ko 即在 USB 总线上注册 LAN7515 网卡驱动，此时，会遍历 USB 总线上已注册的设备，用总线的 match 方法判断是否有匹配的设备，如果有，则调用驱动的 probe 函数。

具体看一下：

/sys/bus/usb/ 下有 devices 和 drivers 目录，这两个目录下分别是当前系统中 USB 总线上已注册的设备和已注册的驱动。

可以看到，在 drivers 目录中目前还没有 lan78xx 驱动，并且我们也不知道 devices 目录中的哪个 USB 设备为 LAN7515 设备。

下面我们安装 lan78xx 驱动

看到执行了 lan78xx_probe() 函数，这也印证了我们上面的说法（注册驱动，会遍历设备，寻求匹配，匹配成功，触发 probe）。

我们再次查看 /sys/bus/usb/drivers 下的目录情况

可以看到，已经产生了 lan78xx 目录，说明驱动注册成功了。

2. 驱动和设备绑定

在 lan78xx_probe() 函数中调用了 lan78xx_bind() 方法，正式地将 lan78xx 驱动和 1-1.1.1:1.1 设备绑定了起来。在 lan78xx 目录下也能体现这一点。

我们也可以手动绑定和解绑

# ifconfig -a
lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:42 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:42 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:4478 (4.3 KiB)  TX bytes:4478 (4.3 KiB)
# ls
bind       module     new_id     remove_id  uevent     unbind
# echo "1-1.1.1:1.0" > bind 
[37493.831496] lan78xx_probe()
[37494.126379] lan78xx 1-1.1.1:1.0 (unnamed net_device) (uninitialized): No External EEPROM. Setting MAC Speed
[37494.144756] libphy: lan78xx-mdiobus: probed
[37494.264385] lan78xx 1-1.1.1:1.0 (unnamed net_device) (uninitialized): int urb period 64
[37494.276093] lan78xx_phy_init()
# ls
1-1.1.1:1.0  module       remove_id    unbind
bind         new_id       uevent
# ifconfig -a
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr B8:27:EB:8A:BC:F4  
          BROADCAST MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:42 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:42 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:4478 (4.3 KiB)  TX bytes:4478 (4.3 KiB)
# 
# 
# echo "1-1.1.1:1.0" > unbind 
# ls
bind       module     new_id     remove_id  uevent     unbind
# ifconfig -a
lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:42 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:42 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:4478 (4.3 KiB)  TX bytes:4478 (4.3 KiB)
# 

3. 数据收发

以 PC1 数据链路层发送一个数据包给 PC2 数据链路层为例

rx

tasklet_schedule(&dev->bh);	// USB 收到数据时，产生中断，触发该任务
lan78xx_bh()
    lan78xx_rx_bh()
        rx_submit()
            usb_fill_bulk_urb()	// 从 USB 读取数据
            tasklet_schedule(&dev->bh);
                lan78xx_bh()
                    rx_process()
                        lan78xx_rx()
                            lan78xx_skb_return()
-----上面为驱动-------下面为数据链路层-----------------------
                                netif_rx()	// 送入数据链路层

tx

struct net_device_ops {
	.ndo_start_xmit		= lan78xx_start_xmit,
}
-----上面为数据链路层-------下面为驱动-----------------------
lan78xx_start_xmit()
	skb_queue_tail()	// 插入队列
	tasklet_schedule(&dev->bh);	// 触发任务调度 lan78xx_bh
		lan78xx_bh()
			lan78xx_tx_bh()
				skb_dequeue()	// 取出数据
------上面为驱动网络部分--------下面为驱动 USB 部分-----------
				usb_fill_bulk_urb()	// 填充数据到 USB
				usb_submit_urb()	// USB 发送数据

RX call tree：目前理得有点混乱，大致过程是 USB 硬件产生中断，驱动去捞数据，经过 rx_process() 处理后，最终调用 netif_rx(skb)，将数据送入内核网络子系统，进一步处理 skb。

TX call tree：内核网络子系统最终调用 ndo_start_xmit() 发送数据，该接口最终由设备驱动实现，本示例为 lan78xx_start_xmit()，最终将数据通过 USB 发送给 LAN7515 网卡，网卡再经过自己的硬件加工，最终将数据发送到网线。

打印帧头

static netdev_tx_t
lan78xx_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *net)
{
printk("%s()\n", __FUNCTION__);

struct ethhdr *eth = eth_hdr(skb);
printk(KERN_INFO "DEST:" MAC_FMT "\n", MAC_ARG(eth->h_dest));
printk(KERN_INFO "SOURCE:" MAC_FMT "\n", MAC_ARG(eth->h_source));

struct iphdr *ip_header = ip_hdr(skb);
printk("daddr:%x is %d.%d.%d.%d\n", ip_header->daddr, inet_ntoa(ip_header->daddr));
printk("saddr:%x is %d.%d.%d.%d\n\n", ip_header->saddr, inet_ntoa(ip_header->saddr));
...

[44851.676380] lan78xx_start_xmit()
[44851.680906] DEST:08:00:27:38:fc:d0
[44851.685656] SOURCE:b8:27:eb:8a:bc:f4
[44851.690571] daddr:6401a8c0 is 192.168.1.100
[44851.696164] saddr:101a8c0 is 192.168.1.1

打印 TX 方向，驱动送给网卡的数据帧中的目的 MAC、源 MAC、目的 IP、源 IP，即上图中 ① 处的数据帧头。

总结

网卡、网卡驱动、内核网络子系统，它们干的事情核心就是传递数据包，其中 sk_buff 在整个过程中起着穿针引线的作用，这次分析网卡驱动收发的过程中，也尝试打印了 sk_buff 的部分信息，作为一个探索的开始吧。其实 sk_buff 在网络子系统中确实起着非常重要的作用，sk_buff 是 socket buffer 的意思，这又进一步体现了 socket 的重要，连其 buffer 都那么 NB，socket 不更 NB 吗？所以后面的研究路线是：driver --> sk_buff --> socket。