Linux驱动开发-网络设备驱动

一，网络设备总体结构

1.1 总体架构

  SOC即主控芯片，目前大部分内部集成MAC模块，通过RMII和PHY芯片连接，RMII接口进行的是网络数据的传输，MDIO总线，设置PHY芯片寄存器。

1.2 NAPI数据处理机制

  比如现在有网络数据输入，不可能一有数据传输过来，就执行中断，那么会一直占据中断，消耗CPU处理时间，如果采用轮询的方式，每隔一定时间查询一下是不是有数据了，这样处理就不及时。因此出现NAPI（New API）技术，将中断和轮询结合，采用中断唤醒数据接收服务程序，在中断接收服务程序中采用轮询的方式处理数据，提高数据包接收效率，减少中断处理时间。

二，RMII和MDIO

2.1 RMII接口

  RMII（Reduced Media Independent Interface），是MII接口的精简版本，相对于MII少了9跟线，方便板子布线。

TX_EN：发送使能信号。
TXD[1:0]:发送数据信号线，两根。
RXD[1:0]：接收数据信号线，两根。
CRS_DV:接收数据有效和载波侦听信号结合。
REF_CLK:参考时钟，由外部时钟源提供，频率为50MHZ。

2.2 MDIO接口

  MDIO（Management Data Input/Output）,即管理数据输入输出接口，两线串行接口，一根MDIO数据线，一根MDC时钟线。PHY驱动通过这两根线，访问PHY上面的任意寄存器，PHY驱动也可以通过这两根线，连接最多32个PHY，保证每个PHY器件地址不同，同一时刻只能对一个PHY芯片进行操作，类似于I2C，由下面的读写操作，和I2C读写不一样的，不过大体上相似。
数据帧（32位）：| 前导码(32位) | ST(2) | OP(2) | PHYAD(5) | REGAD(5) | TA(2) | DATA(16) |
ST(Start)：01表示帧开始。
OP(Operation)：10表示写，01表示读。
PHYAD：PHY地址(0-31)，因为是5位，因此有32种结果，十进制的话就是0到31。
REGAD：寄存器地址(0-31)。
TA(Turnaround)：读操作时MDIO方向切换周期。
DATA：16位读写数据。
写操作：①拉高MDIO，生成MDC时钟②发送32位全为1的前导码③发送起始位01④发送操作码，10表示写⑤发送PHY地址⑥发送寄存器地址⑦发送两位10TA，表示不用切换方向⑧发送16位数据⑨MDIO释放总线
读操作：①发送前导码和起始位②发送操作码01，表示读③发送PHY地址④发送寄存器地址⑤发送TA，切换数据传输方向⑥PHY设备MDIO返回两位TA(00)+16位数据⑦释放总线

三，MAC和PHY模块

3.1 MAC模块

  即底层网络数据处理的驱动程序，整体围绕net_device这个具体网络设备，采用的是platform 驱动框架，创建出fec_driver结构体，包含probe函数和remove函数，probe函数主要是注册和初始化的相关工作，具体对数据的处理在ops操作函数里面，当打开网卡时，fec_enet_open函数执行,申请数据缓冲区，包括发送队列和接收队列缓冲区，探测并连接对应的PHY设备，使能NAPI调度，开启PHY设备，激活发送队列等工作。应用层有数据要发送，即sk_buff，会触发中断，中断函数中对NAPI进行调度，使能NAPI的poll轮询函数，类似于中断的上半部和下半部处理机制，在轮询函数中，真正的对数据进行处理，sk_buff一般会被网卡或者协议栈进行分段处理（数据包较大）。

3.2 PHY模块

  采用的是设备，总线，驱动框架，即PHY设备驱动，MDIO总线，PHY具体设备。phy_driver表示驱动，采用phy_device表示PHY设备，函数get_phy_device获取PHY设备，具体内容包括：获取PHY ID，对phy_device结构体中的成员进行初始化，总线有相应的文件。

四，网络模型

4.1 网络的OSI和TCP/IP分层模型

4.1.1 传输层：TCP和UDP

4.1.1.1 TCP

Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送，16bit。
Destination Port:目的端口，标识哪个应用程序接收，16bit。
比如浏览网页**，客户端网页浏览器向服务器网站**请求下载网页，客户端向服务器发了一个请求报文，这个报文的源端口就是客户网页浏览器的端口，目的端口就是网站服务器端口（HTTP应用）。
Sequence Number:序列号字段，每个TCP报文都有序列号，32bit。
Acknowledgment Number:确认号，对收到的报文进行确认，序列号和确认号，是为了保证每个发送过去的包，对方都能收到，我发出一个带有序列号的包，对方就要回一个带有确认号的包，这俩号是有一定关系的。
Header Length：头部长度，TCP报文头部长度，不是数据长度。
Control bits：控制位，有FIN,ACK,SYN标志位。
Window：窗口值，表示当前接收端能够接收的最大数据总数，以字节为单位，就是接收方告诉发送方，能接收的能力
Checksum：校验字段。

① 三次握手

  三次握手是建立连接用的，SYN,ACK是控制位①PC1发送握手请求，SYN置位为1，序列号Seq为a，Ack为0，发送给PC2。②PC2接收到信号，要给PC1反馈个信息，让PC1知道PC2准备好了，并且PC2也想知道PC1是不是准备好了，发送一个序列号为b（任意），Ack信号为a+1（表示PC2准备好了）此时的控制位SYN和ACK置位。③PC1想让PC2知道，他也准备好了，于是会再反馈一个信号，序列号Seq为a+1（PC1的第一个信号a，因此下一个信号a+1），Ack信号为b+1（表示准备好了）。PC1准备好，PC2也准备好，就建立其连接。

② 确认机制

  确认机制就是判断每个TCP的数据包，发送过去以后，对方是否能接收到。在三次握手建立连接后，PC1发送一个数据包，Seq为a+1，Ack为b+1，载荷长度为12，当PC2接收到这个数据包后，会给PC1反馈一个Seq为b+1，Ack为PC1的Seq（a+1）+载荷（12），即a+1+12，PC2的载荷为0，此数据包发送给PC1，表示PC2接收到PC1发送的数据包了。

③ 四次挥手

  四次挥手是在发送结束时候用的，通信时双向的，当PC1发送结束，会给PC2发送一个数据包，控制位的FIN置位，ACK置位，序列号Seq=101，Ack=301,PC2接收到PC1这个数据结束的数据包，会给PC1发送一个Seq=PC1的Ack，即301，Ack为PC1的Seq（101）+1=102，此时控制位ACK置位。同样PC2发送完数据，也会和PC1这个过程类似。四次挥手后，TCP连接断开。

4.1.1.2 UDP

Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送，16bit。
Destination Port:目的端口，标识哪个应用程序接收，16bit。
Length：报文总长度。
UDP模式加上端口号后，直接发送即可，不用在乎目的地址信息是否有反馈。

4.1.2 网络层

  网络层接收到传输层发来的数据，会封装一个IP报文头部，把源IP地址和目的IP地址放到头部中，中间经过网络设备，比如路由器，路由器内部有路由表，读取IP数据包的目的IP地址，转发这个数据包。

4.1.3 物理链路层

  传输层（网线，光纤）→网络层（路由器）→物理链路层（交换机）。在物理链路层，会给IP数据包，加上MAC地址，在交换机中，根据这个MAC地址，将数据包发送到具体设备，比如主机上。具体怎么获取MAC地址，是通过ARP请求，源Host A会给Host B发送一个ARP请求，带有Host B这个目的IP，Host B接收到这个ARP请求后，会反馈带有Host A的IP地址和Host B的MAC地址的数据包。

上述网络模型图，来自B站：网络工程师学长，https://www.bilibili.com/video/BV1P3411M7zF?p=13&vd_source=a11372469703158c2d89e1da0b799875