Treiber Netzwerktreiber

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1 Treiber Netzwerktreiber Dr.-Ing. Matthias Sand Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg WS 2010/2011 Treiber Netzwerktreiber 1/

2 Übersicht Inhalt: Netzwerk-Grundlagen, Registrieren und Entfernen, Starten und Stoppen, Senden von Blöcken Empfangen von Blöcken, weitere Treiberfunktionen, Anhang: NAPI-Treiber. Treiber Netzwerktreiber 2/

3 Netzwerk-Grundlagen Netzwerkgeräte werden nicht direkt von Anwendungsprogrammen aus angesprochen, sie stehen am unteren Ende des Netzwerksubsystems (Protokollstacks) des Betriebssystems, sie haben keinen Geräteknoten im Dateisystem, sondern einen symbolischen Namen, der dem Subsystem bekannt ist, es existieren geräteklassenspezifische Subsysteme (z.b. für Ethernet), insbesondere um die Adressauflösung (arp(8)) zentral zu organisieren, die Konfiguration der Geräte aus dem Userspace erfolgt meist mittels ifconfig(8), das wiederum ioctl(2) auf einem ungebundenen Socket (socket(2)) mit den SIOCGIF*- und SIOCSIF*-Funktionen (ioctl_list(2)) benutzt. Treiber Netzwerktreiber 3/

4 Netzwerk-Grundlagen (2) Beispiel ifconfig $ i f c o n f i g eth0 L i n k encap : E t h e r n e t HWaddr 0 0 : 9 0 : 4B : D5 : 3 C : 8B UP BROADCAST MULTICAST MTU: M e t r i c : 1 RX p a c k e t s : 0 e r r o r s : 0 dropped : 0 o v e r r u n s : 0 frame : 0 TX p a c k e t s : e r r o r s : 0 dropped : 0 o v e r r u n s : 0 c a r r i e r : 0 c o l l i s i o n s : 0 t x q u e u e l e n : RX b y t e s : 0 ( 0. 0 b ) TX b y t e s :18816 ( KiB ) I n t e r r u p t : 1 0 eth1 L i n k encap : E t h e r n e t HWaddr 0 0 : 1 1 : 4 3 : 7 4 : 8 9 : B5 i n e t addr : Bcast : Mask : i n e t 6 addr : f e 8 0 : : : 4 3 f f : f e 7 4 : 8 9 b5 /64 Scope : L i n k UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU: M e t r i c : 1 RX p a c k e t s :66041 e r r o r s : 0 dropped : 0 o v e r r u n s : 0 frame : 0 TX p a c k e t s :46933 e r r o r s : 0 dropped : 0 o v e r r u n s : 0 c a r r i e r : 0 c o l l i s i o n s : 0 t x q u e u e l e n : RX b y t e s : ( MiB) TX b y t e s : ( 5. 7 MiB) I n t e r r u p t : l o L i n k encap : L o c a l Loopback i n e t addr : Mask : i n e t 6 addr : : : 1 / Scope : Host UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 M e t r i c : 1 RX p a c k e t s : 3 8 e r r o r s : 0 dropped : 0 o v e r r u n s : 0 frame : 0 TX p a c k e t s : 3 8 e r r o r s : 0 dropped : 0 o v e r r u n s : 0 c a r r i e r : 0 c o l l i s i o n s : 0 t x q u e u e l e n : 0 RX b y t e s : ( 2. 5 KiB ) TX b y t e s : ( 2. 5 KiB ) Treiber Netzwerktreiber 4/

5 Netzwerk-Grundlagen (3) Folgen für Treiber Es müssen im Wesenlichen Funktionen für den Hardwarezugriff bei Geräteinitialisierung und -deinitialisierung, Interfacestart und -stop, Senden und Empfangen von Paketen implementiert werden, um die Aspekte höherer Protokolle (ip(7), tcp(7), upd(7) etc.) braucht sich der Treiber (normalerweise) nicht zu kümmern. Treiber Netzwerktreiber 5/

6 Schnittstelle registrieren und entfernen Ablauf Bei Modultreibern, deren Hardware einem anderen Subsystem des Kernels (PCI, USB etc.) angehört: 1 probe-funktion des Treibers allokiert und initialisiert mit alloc_netdev eine net_device-struktur, 2 alloc_netdev ruft dabei die vom Treiber implementierte setup-funktion auf, 3 der Treiber registriert anschließend das Gerät beim Netzwerk- Subsystem mit register_netdev. 4 Zum Entfernen ruft der Treiber im Zuge der remove-funktion zunächst unregister_netdev auf, 5 anschließend muss noch der Speicher der net_device-struktur mit free_netdev freigegeben werden. Treiber Netzwerktreiber 6/

7 API: alloc_netdev alloc_netdev #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> s t r u c t n e t _ d e v i c e a l l o c _ n e t d e v ( i n t s i z e o f _ p r i v, const char name, void ( s e t u p ) ( s t r u c t n e t _ d e v i c e ) ) ; Allokiert und initialisiert eine Instanz der net_device-struktur, es werden sizeof_priv Byte für private Daten des Treibers reserviert (zugreifbar mit netdev_priv(dev)), der String name darf (sollte!) einen Dezimal-Formatstring (%d) enthalten; daraus wird der Name des Netzwerkgeräts gebildet, setup muss eine vom Treiber implementierte Funktion sein, setup wird mit der neu angelegten Struktur aufgerufen, Achtung: alloc_netdev ruft kmalloc auf! Treiber Netzwerktreiber 7/

8 API: alloc_xxxdev alloc_xxxdev #include <l i n u x / XXXdevice. h> s t r u c t n e t _ d e v i c e alloc_xxxdev ( i n t s i z e o f _ p r i v ) ; Allokiert und initialisiert eine Instanz der net_device-struktur für Standard-Geräte, ersetze XXX durch ether, fddi,..., ansonsten wie alloc_netdev. Treiber Netzwerktreiber 8/

9 API: register_netdev register_netdev #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> i n t r e g i s t e r _ n e t d e v ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Registriert das durch dev beschriebene Netzwerkgerät, sorgt für korrektes Locking, Rückgabewert: 0 bei Erfolg, negativer Fehlercode sonst. Treiber Netzwerktreiber 9/

10 Registrieren Beispiel s t a t i c i n t d e v i c e _ i n i t (... ) {... dev=a l l o c _ n e t d e v ( s i z e o f ( s t r u c t dhwk_device ), "dhwk%d ", dhwk_net_setup ) ; i f ( dev == NULL) { r e t u r n ENOMEM; } i f ( r e t v a l=r e g i s t e r _ n e t d e v ( dev ) ) { f r e e _ n e t d e v ( dev ) ; r e t u r n r e t v a l ; }... Treiber Netzwerktreiber 10/

11 API: unregister_netdev unregister_netdev #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> void u n r e g i s t e r _ n e t d e v ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Meldet das durch dev repräsentierte Netzwerkgerät beim Subsystem ab, sorgt für korrektes Locking. Treiber Netzwerktreiber 11/

12 API: free_netdev free_netdev #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> void f r e e _ n e t d e v ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Gibt die Referenz auf die Netzwerkgerätestruktur dev frei, mit alloc_netdev reservierter privater Speicher wird ebenfalls freigegeben. Treiber Netzwerktreiber 12/

13 Setup-Funktion setup void s e t u p ( s t r u c t n e t _ d e v c i e dev ) ; Bekommt die neu angelegte Netzwerk-Gerätestruktur dev übergeben, muss für den Treiber relevante Elemente der Struktur initialisieren, für einige Standard-Gerätetypen gibt es vordefinierte Initialisierungsfunktionen, die einen Teil dieser Aufgabe übernehmen (z.b. ether_setup). Treiber Netzwerktreiber 13/

14 API: struct net_device Aus <linux/netdevice.h> s t r u c t n e t _ d e v i c e { unsigned mtu ; unsigned s h o r t t y p e ; unsigned s h o r t hard_header_len ; unsigned char addr_len ; unsigned long tx_queue_len ; unsigned i n t f l a g s ; const s t r u c t net_device_ops netdev_ops ;... } Treiber Netzwerktreiber 14/

15 API: struct net_device_ops Aus <linux/netdevice.h> s t r u c t net_device_ops {... i n t ( ndo_open ) ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; i n t ( ndo_stop ) ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; i n t ( ndo_start_xmit ) ( s t r u c t s k _ b u f f skb, s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; i n t ( ndo_change_mtu ) ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev, i n t new_mtu ) ; s t r u c t n e t _ d e v i c e _ s t a t s ( ndo_get_stats ) ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ;... } Treiber Netzwerktreiber 15/

16 struct net_device Wichtige Felder type Hardware-Typ des Geräts, u.a. ARPHRD_SLIP, ARPHRD_ETHER, vgl. <linux/if_arp.h>, mtu Maximum Transfer Unit, maximale Blockgröße, flags Flags, die über diverse Eigenschaften des Netzwerkgeräts Auskunft geben, z.b. ob es sich um ein Punkt-zu-Punkt-Gerät handelt (IFF_POINTOPOINT), vgl. <linux/if.h>. Treiber Netzwerktreiber 16/

17 Beispiel s t a t i c const s t r u c t net_device_ops dhwk_net_dev_ops = {. ndo_open = dhwk_open,. ndo_stop = dhwk_close,. ndo_start_xmit = dhwk_send,. ndo_get_stats = dhwk_get_stats,. ndo_change_mtu = dhwk_change_mtu, } ; s t a t i c void dhwk_net_setup ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) { dev >netdev_ops = &dhwk_net_dev_ops ; dev >t y p e = ARPHRD_SLIP ; dev >mtu = DHWK_DEFAULT_MTU; dev >hard_header_len = 0 ; dev >addr_len = 0 ; dev >tx_queue_len = 1 0 ; dev >f l a g s = IFF_NOARP IFF_POINTOPOINT IFF_MULTICAST ; } Treiber Netzwerktreiber 17/

18 Treiberfunktionen ndo_open ndo_open i n t ndo_open ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Starten der Schnittstelle, nach dem Starten muss der Treiber bereit sein, Pakete zu senden und zu empfangen, Treiber ruft typischerweise netif_start_queue auf, Rückgabewert: 0 bei Erfolg, negativer Fehlercode sonst. Treiber Netzwerktreiber 18/

19 API: netif_start_queue netif_start_queue #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> void n e t i f _ s t a r t _ q u e u e ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Zeigt der höheren Netzwerkschicht (Queueing-Layer) an, dass der Treiber von Gerät dev bereit ist, Pakete mittels ndo_start_xmit entgegenzunehmen, die Send-Queue-Verwaltung des Netzwerksubsystems sollte für die Synchronisierung der Sendefunktion verwendet werden. Treiber Netzwerktreiber 19/

20 Treiberfunktionen ndo_stop ndo_stop i n t ndo_stop ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Stoppen der Schnittstelle, nach dem Stoppen werden keine Transfers mehr durchgeführt, Treiber ruft typischerweise netif_stop_queue auf, Rückgabewert: 0 bei Erfolg, negativer Fehlercode sonst. Treiber Netzwerktreiber 20/

21 API: netif_stop_queue netif_stop_queue #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> void n e t i f _ s t o p _ q u e u e ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Zeigt dem Queueing-Layer an, dass der Treiber keine weiteren Pakete entgegennehmen kann, ist typischerweise aufzurufen, wenn... die Schnittstelle gestoppt wird (ndo_stop-funktion des Treibers), die Funktion ndo_start_xmit (s.u.) nach dem Senden eines Pakets feststellt, dass die Hardware für einen weiteren Sendevorgang nicht bereit ist. Treiber Netzwerktreiber 21/

22 API: netif_wake_queue netif_wake_queue #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> void netif_wake_queue ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Zeigt dem Queueing-Layer an, dass der Treiber jetzt wieder Pakete zum Senden entgegennehmen kann, wird typischerweise aus einer ISR aufgerufen. Treiber Netzwerktreiber 22/

23 Treiberfunktionen ndo_start_xmit ndo_start_xmit i n t ndo_start_xmit ( s t r u c t s k _ b u f f skb, s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Wird vom Netzwerk-Subsystem aufgerufen, um das durch den Socket-Buffer skb beschriebene Paket zu übertragen, muss den Buffer nach der Übertragung mit kfree_skb freigeben, Queueing-Layer sorgt dafür, dass die Funktion nur genau einmal aufgerufen wird und nur dann, wenn die Queue aktiv ist, sollte wenn nötig die Send-Queue mit netif_stop_queue anhalten, Rückgabewert: 0 bei Erfolg, negativer Fehlercode sonst. Treiber Netzwerktreiber 23/

24 Socket-Buffer Eigenschaften Dient dem Datenaustausch zwischen Treiber und nächster Netzwerkschicht, besteht aus: Struktur-Header, Transportschicht-Information (TCP- oder UDP-Header), Netzwerkschicht-Information (IPv4 oder -v6-header), Übertrangungsschicht-Information (z.b. für Ethernet), Tail, das die Zeiger auf die eigentlichen Nutzdaten enthält, die Struktur enthält nicht den zu übertragenden Block, sie zeigt nur darauf! Treiber Netzwerktreiber 24/

25 Socket-Buffer (2) ndo_start_xmit bekommt einen Socket-Buffer skb übergeben, skb->data zeigt auf einen skb->len Byte großen Datenblock, vor diesen Daten der höheren Schichten ist ab skb->head noch Platz für den hardwarespezifischen Header, nach dem Ende der Nutzdaten (skb->tail) können ebenfalls noch hardwarespezifische Daten eingefügt werden (z.b. Checksummen). (Vgl. <linux/skbuff.h>.) Treiber Netzwerktreiber 25/

26 Socket-Buffer (3) Treiber Netzwerktreiber 26/

27 API: kfree_skb kfree_skb #include <l i n u x / s k b u f f. h> void k f r e e _ s k b ( s t r u c t s k _ b u f f skb ) ; Dekrementiert den Referenzzähler der Buffers skb, ist der Zähler bei 0 angekommen, wird der Speicher freigegeben. Treiber Netzwerktreiber 27/

28 Pakete empfangen Wird typischerweise von einer ISR angestoßen, soll heute nicht mehr direkt in der ISR gemacht werden, stattdessen: Tasklet oder Kernel-Thread verwenden, (noch neuere Variante: spezielle poll-funktion, vgl. unten.) Treiber Netzwerktreiber 28/

29 Pakete empfangen (2) Ablauf 1 Empfangs-Funktion wird aufgerufen/angestoßen, 2 reserviert einen sk_buff mittels dev_alloc_skb, 3 schreibt die Daten in den Buffer (unterstützt durch skb_put), 4 übergibt den Buffer mittels netif_rx oder netif_rx_ni an die höhere Schicht. Treiber Netzwerktreiber 29/

30 API: dev_alloc_skb dev_alloc_skb #include <l i n u x / s k b u f f. h> s t r u c t s k _ b u f f d e v _ a l l o c _ s k b ( unsigned i n t l e n g t h ) ; Reserviert einen Socket-Buffer der Größe length, allokiert zusätzlich zum bei data beginnenden Buffer 16 Byte für einen (Ethernet-)Header, Funktion darf im Interrupt-Kontext aufgerufen werden, Rückgabewert: Zeiger auf den Socket-Buffer oder NULL bei Misserfolg. Treiber Netzwerktreiber 30/

31 API: skb_put skb_put #include <l i n u x / s k b u f f. h> unsigned char skb_put ( s t r u c t s k _ b u f f skb, u n s i g e n d i n t l e n ) ; erweitert den verwendeten Datenbereich des Socket-Buffers skb um len Byte, Zeiger und Längenfelder werden entsprechend angepasst, Überschreiten der reservierten Größe führt zu Kernel-Panic, Rückgabewert: Zeiger auf das erste Byte des hinzugefügten Bereichs. Treiber Netzwerktreiber 31/

32 API: netif_rx netif_rx #include <l i n u x / n e t d e v i c e. h> i n t n e t i f _ r x ( s t r u c t s k _ b u f f skb ) ; i n t n e t i f _ r x _ n i ( s t r u c t s k _ b u f f skb ) ; Übergibt den mit einem empfangenen Block gefüllten Socket-Buffer skb an die nächste Netzwerkschicht, netif_rx wird im Interrupt-Kontext verwendet, netif_rx_ni außerhalb des Interrupt-Kontexts (z.b. in Kernel-Threads), Rückgabewert: Information über den Zustand der höheren Schichten (siehe nächste Folie). Treiber Netzwerktreiber 32/

33 API: netif_rx (2) Rückgabewerte Wert NET_RX_SUCCESS NET_RX_CN_LOW NET_RX_CN_MOD NET_RX_CN_HIGH NET_RX_DROP Bedeutung erfolgreich abgeliefert, keine Stauung geringe Stauung mittlere Stauung hohe Stauung Paket verworfen Treiber Netzwerktreiber 33/

34 Pakete empfangen Beispiel... skb = d e v _ a l l o c _ s k b ( pkt_len ) ; skb >dev = dev ; f o r ( i =0; i < pkt_len ; i ++) { skb_put ( skb, 1 ) = i n b (IN_REG ) ; } n e t i f _ r x ( skb ) ;... Treiber Netzwerktreiber 34/

35 Treiberfunktionen ndo_change_mtu ndo_change_mtu i n t ndo_change_mtu ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev, i n t new_mtu ) ; Wird aufgerufen, wenn (z.b. mittels ifconfig) die MTU des Geräts geändert werden soll, muss prüfen, ob der Wert new_mtu zulässig ist, trägt den neuen Wert in dev ein, Rückgabewert: 0 bei Erfolg, negativer Fehlercode (typischerweise -EINVAL) sonst. Treiber Netzwerktreiber 35/

36 Treiberfunktionen ndo_get_stats ndo_get_stats #i n c l u d e <l i n u x / n e t d e v i c e. h> s t r u c t n e t _ d e v i c e _ s t a t s ndo_get_stats ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev ) ; Liefert eine Instanz der net_device_stats-struktur, Struktur enthält Sende-, Empfangs- und Fehlerstatistiken (wie bekannt aus der Ausgabe von ifconfig), Elemente der Struktur müssen ggf. aktualisiert werden. Treiber Netzwerktreiber 36/

37 API: struct net_device_stats Aus <linux/netdevice.h> s t r u c t n e t _ d e v i c e _ s t a t s { unsigned long r x _ p a c k e t s ; unsigned long t x _ p a c k e t s ; unsigned long r x _ b y t e s ; unsigned long t x _ b y t e s ; unsigned long r x _ e r r o r s ; unsigned long t x _ e r r o r s ; unsigned long rx_dropped ; unsigned long tx_dropped ; unsigned long m u l t i c a s t ; unsigned long c o l l i s i o n s ;... } Treiber Netzwerktreiber 37/

38 API: struct net_device_stats (2) Typisches Vorgehen Instanz von net_device_stats kann einmal, z.b. bei der Geräteinitialisierung, angelegt werden, die Sende- und Empfangsfunktionen aktualisieren die entsprechenden Attribute, get_stats gibt nur einen Zeiger auf die Struktur zurück. Treiber Netzwerktreiber 38/

39 Anhang: NAPI-Treiber Die NAPI ist die neue Methode für den Paketempfang. Sie empfiehlt sich vor allem, wenn: dadurch überflüssige Interrupts vermieden werden können, bei hohem Traffic verworfene Pakete gar nicht erst vom Kernel bearbeitet werden müssen. NAPI ist (und bleibt) vollkommen optional! Treiber Netzwerktreiber 39/

40 NAPI Auswirkungen auf die ISR Der Interrupt-Handler muss nun: den Hardware-RX-Interrupt vorübergehend deaktivieren (ausmaskieren), durch Aufruf von void n a p i _ s c h e d u l e ( s t r u c t n a p i _ s t r u c t n ) ; das Polling des Netzwerksubsystems aktivieren. Treiber Netzwerktreiber 40/

41 NAPI (2) poll-funktion i n t ( p o l l ) ( s t r u c t n a p i _ s t r u c t n, i n t budget ) ; empfängt ggf. mehrere Pakete, Pakete werden mit int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb); weitergereicht, budget ist die maximale Zahl von Paketen, die in einem Poll-Aufruf bearbeitet werden dürfen, Treiber Netzwerktreiber 41/

42 NAPI (3) poll-funktion (2) sind keine Pakete mehr vorhanden, müssen die Interrupts wieder einmaskiert werden und das Polling deaktiviert mit: void napi_complete ( s t r u c t n a p i _ s t r u c t n ) ; Rückgabewert: Anzahl der noch nicht verarbeiteten Pakete. Treiber Netzwerktreiber 42/

43 NAPI (4) Treiber-Initialisierung Bei der Initialisierung muss der Treiber als NAPI-Treiber registriert werden mit: void n e t i f _ n a p i _ a d d ( s t r u c t n e t _ d e v i c e dev, s t r u c t n a p i _ s t r u c t napi, i n t ( p o l l ) ( s t r u c t n a p i _ s t r u c t, i n t ), i n t w e i g h t ) ; Treiber Netzwerktreiber 43/