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标题: 用户空间与内核的交互---IOCTL [打印本页]

作者: yuyang911220 时间: 2017-1-25 16:25 标题: 用户空间与内核的交互---IOCTL

在procfs一节中我们提到过ioctl，它的作用编写过驱动和从事过网络编程的人，一定不会陌生. 就是由于它架构的思路的精妙之处，屏蔽了大量抽象的东西.这里我们就分析下它的使用和架构，当然这里不会分析ioctl系统调用的实现.这里参考资料有《linux设备驱动程序》，《深入理解linux网络技术内幕》，当然也少不了网上好的文章和帖子.
   或许我们最熟悉就是文件的操作，文件有read、write当然还有其他一些的操作，这里的工作就给了ioctl. 这里我们首先说一下驱动程序里关于ioctl函数的使用.
   这里举一个网络设备的例子：比如我们创建一个gre接口，在内核里（内核版本3.1.1）net/ipv4/ip_gre.c中我们看它的内核启动必须初始化的部分：
      module_init(ipgre_init);
   我们展开 ipgre_init函数：

/*
*  And now the modules code and kernel interface.
*/

static int __init ipgre_init(void)
{
int err;

printk(KERN_INFO "GRE over IPv4 tunneling driver\\n");

err = register_pernet_device(&ipgre_net_ops);
if (err < 0)
      return err;

err = gre_add_protocol(&ipgre_protocol, GREPROTO_CISCO);
if (err < 0) {
      printk(KERN_INFO "ipgre init: can't add protocol\\n");
      goto add_proto_failed;
}

err = rtnl_link_register(&ipgre_link_ops);
if (err < 0)
      goto rtnl_link_failed;

err = rtnl_link_register(&ipgre_tap_ops);
if (err < 0)
      goto tap_ops_failed;

out:
return err;

tap_ops_failed:
rtnl_link_unregister(&ipgre_link_ops);
rtnl_link_failed:
gre_del_protocol(&ipgre_protocol, GREPROTO_CISCO);
add_proto_failed:
unregister_pernet_device(&ipgre_net_ops);
goto out;
}

这里我们只关心 register_pernet_device(&ipgre_net_ops); 故名思意它会注册一个网络设备
我们看看ipgre_net_ops的初始化

static struct pernet_operations ipgre_net_ops = {
.init = ipgre_init_net,
.exit = ipgre_exit_net,
.id = &ipgre_net_id,
.size = sizeof(struct ipgre_net),
};
这里我们看内核必须初始化的部分 .init = ipgre_init_net ：

static int __net_init ipgre_init_net(struct net *net)
{
struct ipgre_net *ign = net_generic(net, ipgre_net_id);
int err;

ign->fb_tunnel_dev = alloc_netdev(sizeof(struct ip_tunnel), "gre0",
                     ipgre_tunnel_setup);
if (!ign->fb_tunnel_dev) {
      err = -ENOMEM;
      goto err_alloc_dev;
}
......

这里创建gre0接口，并用 ipgre_tunnel_setup来完成部分初始化工作.

static void ipgre_tunnel_setup(struct net_device *dev)
{
dev->netdev_ops    = &ipgre_netdev_ops;
dev->destructor  = ipgre_dev_free;

dev->type       = ARPHRD_IPGRE;
dev->needed_headroom    = LL_MAX_HEADER + sizeof(struct iphdr) + 4;
dev->mtu    = ETH_DATA_LEN - sizeof(struct iphdr) - 4;
dev->flags    = IFF_NOARP;
dev->iflink    = 0;
dev->addr_len       = 4;
dev->features       |= NETIF_F_NETNS_LOCAL;
dev->priv_flags    &= ~IFF_XMIT_DST_RELEASE;
}

这里ipgre_netdev_ops 即完成了设备相关的操作函数的初始化（如果用户空间调用就会调用相应的函数）

static const struct net_device_ops ipgre_netdev_ops = {
.ndo_init    = ipgre_tunnel_init,
.ndo_uninit    = ipgre_tunnel_uninit,
#ifdef CONFIG_NET_IPGRE_BROADCAST
.ndo_open    = ipgre_open,
.ndo_stop    = ipgre_close,
#endif
.ndo_start_xmit    = ipgre_tunnel_xmit,
.ndo_do_ioctl    = ipgre_tunnel_ioctl,
.ndo_change_mtu    = ipgre_tunnel_change_mtu,
.ndo_get_stats    = ipgre_get_stats,
};

我们看到了关于设备ioctl的初始化.对没错. 这里内核已经很好的把底层具体的ioctl操作和gre0设备关联了起来.
下面就看看用户空间如何调用：
这里简单的说明下：
/* test */
int fd;
struct ifreq ifr;
fd= open("/dev/gre0");
if(fd < 0 ) return -1;
...
if( ioctl(fd,SIOCGETTUNNEL,&ifr))
.....
当然用户空间也要有SIOCGETTUNNEL的定义，内核空间的是在include/linux/if_tunnel.h中定义.这里所说是驱动里私有的ioctl的使用.
#define SIOCGETTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 0)
#define SIOCADDTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 1)
#define SIOCDELTUNNEL (SIOCDEVPRIVATE + 2)
......
#define SIOCCHG6RD (SIOCDEVPRIVATE + 11)
在linux系统默认给dev预留了16个私有的ioctl，在include/linux/sockios.h中

/* Device private ioctl calls */

/*
*  These 16 ioctls are available to devices via the do_ioctl() device
*  vector. Each device should include this file and redefine these names
*  as their own. Because these are device dependent it is a good idea
*  _NOT_ to issue them to random objects and hope.
*
*  THESE IOCTLS ARE _DEPRECATED_ AND WILL DISAPPEAR IN 2.5.X -DaveM
*/

#define SIOCDEVPRIVATE  0x89F0  /* to 89FF */

但是在实际情况中这个16个并不够用，或者会产生混乱或者冲突，所以在驱动中还有另外一种定义和实现方法，也更为常用：即通用驱动ioctl的实现方法：
   IO（type,nr）,_IOR(type,nr,datatype),_IOW(type,nr,datatype)。它们在包含的中有定义，所以在我们的驱动中应包含这个头文件。其中＿IO（）用做无参数的命令编号，＿IOR（）用做从驱动中读取数据的命令编号，＿IOW（）用做写入数据命令。 LDD中用：define SCULL_IOC_MAGIC 'k' ,define SCULL_IOCSQUANTUM _IOW(SCULL_IOC_MAGIC,1,int)表示SCULL_IOCSQUANTUM命令编号为向驱动中写数据，命令编号为1，传送参数类型为int.
   下面就看一下简单的使用方法：
#define MY_MAGIC 'k'
#define MY_GDEVNAME _IOR(MY_MAGIC, 1,int)
当然这个定义需要内核和用户空间都有定义. 这里不再详述，具体请阅读ldd3 第六章高级字符驱动程序操作一章.
这里分析当然会有不到之处，仅作为好的学习的开始.
当然上面主要说明了驱动中ioctl的使用，也就不得不说下网络编程中ioctl的使用，对于网络编程中自定义这里不再说明.
这里仅就已经有的很多命令调用做一个简单的总结.
具体的定义在include/linux/sockios.h中
ioctl 函数
本函数影响由fd 参数引用的一个打开的文件。
#include int ioctl( int fd, int request, ... );
返回0 ：成功
-1 ：出错
第三个参数总是一个指针，但指针的类型依赖于request 参数。
我们可以把和网络相关的请求划分为6 类：
套接口操作
文件操作
接口操作
ARP
高速缓存操作
路由表操作
流系统
具体的使用和分类请参考《unix网络编程》.下面贴出网络ioctl调用流程图：

这样ioctl就统一了起来，驱动的ioctl和网络的ioctl.其实实现思路都是一样的，见开始gre0部分的实现.

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