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Linux网络设备驱动程序是Linux操作系统网络应用中的一个重要组成部分。分析其运行机理，对于设计Linux网络应用程序是很有帮助的。我们可以在网络驱动程序这一级做一些与应用相关联的特殊事情，例如在设计Linux防火墙和网络入侵检测系统时，可以在网络驱动程序的基础上拦截网络数据包，继而对其进行分析。由于Linux是开放源代码的，所以给我们提供了一个分析和改造网络驱动程序，并使其满足特殊应用的绝好机会。本文对Linux内核中的网络驱动程序部分进行了详细讨论，并给出了实现Linux网络驱动程序的重要过程、一种实现模式和具体实例。
运行机理
1．体系结构
Linux网络驱动程序的体系结构如图1所示。可以划分为四层，从上到下分别为协议接口层、网络设备接口层、提供实际功能的设备驱动功能层，以及网络设备和网络媒介层。在设计网络驱动程序时，最主要的工作就是完成设备驱动功能层，使其满足我们自己所需的功能。在Linux中，把所有网络设备都抽象为一个接口。这个接口提供了对所有网络设备的操作集合。由数据结构 struct device来表示网络设备在内核中的运行情况，即网络设备接口。它既包括纯软件网络设备接口，如环路（Loopback），也可以包括硬件网络设备接口，如以太网卡。它由以dev_base为头指针的设备链表来集中管理所有网络设备。该设备链表中的每个元素代表一个网络设备接口。数据结构device中有很多供系统访问和协议层调用的设备方法，包括供设备初始化和往系统注册用的init函数、打开和关闭网络设备的open和stop函数、处理数据包发送的函数hard_ start_xmit，以及中断处理函数等。有关device数据结构（在内核中也就是net_device）的详细内容，请参看/linux/include/linux/netdevice.h
2．初始化
网络设备的初始化主要是由device数据结构中的init函数指针所指的初始化函数来完成的。当内核启动或加载网络驱动模块的时候，就会调用初始化过程。这个过程将首先检测网络物理设备是否存在。它通过检测物理设备的硬件特征来完成，然后再对设备进行资源配置。这些完成之后就要构造设备的device数据结构，用检测到的数值来对device中的变量初始化。这一步很重要。最后向Linux内核注册该设备并申请内存空间。
3． 数据包的发送与接收
数据包的发送和接收是实现Linux网络驱动程序中两个最关键的过程。对这两个过程处理的好坏将直接影响到驱动程序的整体运行质量。图1中也很明确地说明了网络数据包的传输过程。首先在网络设备驱动加载时，通过device域中的init函数指针调用网络设备的初始化函数，对设备进行初始化。如果操作成功就可以通过device域中的open函数指针调用网络设备的打开函数打开设备，再通过device域中的建立硬件包头函数指针hard_header来建立硬件包头信息。最后通过协议接口层函数dev_queue_xmit（详见/linux/net/core/dev.c）来调用device域中的hard_start_xmit函数指针，完成数据包的发送。该函数将把存放在套接字缓冲区中的数据发送到物理设备。该缓冲区是由数据结构sk_buff （详见/linux/include/linux/sk_buff.h）来表示的。
数据包的接收是通过中断机制来完成的。当有数据到达时，就产生中断信号，网络设备驱动功能层就调用中断处理程序，即数据包接收程序来处理数据包的接收。然后，网络协议接口层调用netif_rx函数（详见/linux/net/core/dev.c），把接收到的数据包传输到网络协议的上层进行处理。
实现模式
实现Linux网络设备驱动功能主要有两种形式：一是通过内核来进行加载，当内核启动的时候，就开始加载网络设备驱动程序，内核启动完成之后，网络驱动功能也随即实现了；再就是通过模块加载的形式。比较两者，第二种形式更加灵活。在此着重对模块加载形式进行讨论。
模块设计是Linux中特有的技术，它使Linux内核功能更容易扩展。采用模块来设计Linux网络设备驱动程序会很轻松，并且能够形成固定的模式。任何人只要依照这个模式去设计，都能设计出优良的网络驱动程序。先简要介绍一下基于模块加载网络驱动程序的设计步骤，后面还结合具体实例来讲解。首先通过模块加载命令insmod来把网络设备驱动程序插入到内核之中。然后，insmod将调用init_module()函数首先对网络设备的init函数指针初始化，再通过调用register_netdev()函数在Linux系统中注册该网络设备。如果成功，再调用init函数指针所指的网络设备初始化函数来对设备初始化，将设备的device数据结构插入到dev_base链表的末尾。最后可以通过执行模块卸载命令rmmod，来调用网络驱动程序中的cleanup_module()函数，对网络驱动程序模块进行卸载。具体实现过程见图2所示。 |
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