📚 课程目录第2章网络设备核心数据结构

2. 网络设备核心数据结构

在 Linux 内核网络驱动开发中，struct net_device 是描述一个网络设备实例的核心数据结构。它位于 include/linux/netdevice.h，是驱动与内核协议栈之间的桥梁。理解其关键字段与操作函数集，是编写正确、高效网络驱动的第一步。

核心认知： 每个网络接口（如 eth0、wlan0）在内存中对应一个 net_device 实例。驱动通过填充该结构体并向内核注册，使设备能被协议栈识别和管理。

2.1 结构体概览与内存布局

struct net_device 是一个巨型结构体（约 1.5~2 KB），按功能可划分为以下几大区域：

区域	典型字段	功能说明
标识与名称	`name`, `ifindex`, `dev_id`	设备名称、内核索引、物理位置标识
配置与特征	`flags`, `features`, `priv_flags`	设备状态标志、硬件 offload 能力、私有特性
地址信息	`dev_addr`, `broadcast`, `perm_addr`	MAC 地址、广播地址、永久地址
队列管理	`tx_queue_len`, `ingress_queue`	发送队列长度、入口队列（用于 tc）
NAPI 相关	`napi_list`, `poll_controller`	NAPI 实例链表、轮询控制函数（旧式）
操作函数集	`netdev_ops`, `ethtool_ops`	设备操作方法、ethtool 控制方法
统计信息	`stats`	收发字节、包数、错误计数
私有数据	`priv_destructor`, `ml_priv`	驱动私有数据指针、销毁回调

  内存布局提示： 驱动私有数据通常通过 netdev_priv() 宏获取，该宏返回 net_device 结构体末尾的预留空间。分配时使用 alloc_netdev() 或 alloc_etherdev() 系列函数。

2.2 关键字段深度解析

2.2.1 设备标识与状态

/* 设备名称，如 eth0、wlan0 */
char                    name[IFNAMSIZ];

/* 内核分配的唯一接口索引 */
int                     ifindex;

/* 设备标志位，定义在 <linux/if.h> */
unsigned short          flags;      // IFF_UP, IFF_BROADCAST, IFF_RUNNING 等

/* 设备特性位掩码，定义在 <linux/netdev_features.h> */
netdev_features_t       features;   // NETIF_F_SG, NETIF_F_TSO, NETIF_F_LRO 等

常见陷阱： flags 中的 IFF_UP 表示设备已被用户通过 ifconfig up 启用，而 IFF_RUNNING 表示物理链路状态正常。驱动应在链路状态变化时调用 netif_carrier_on() / netif_carrier_off() 来更新 IFF_RUNNING。

2.2.2 地址信息

/* 设备 MAC 地址（当前使用） */
unsigned char           dev_addr[MAX_ADDR_LEN];

/* 广播地址，通常为 FF:FF:FF:FF:FF:FF */
unsigned char           broadcast[MAX_ADDR_LEN];

/* 永久 MAC 地址（出厂固化） */
unsigned char           perm_addr[MAX_ADDR_LEN];

/* 地址长度，以太网为 ETH_ALEN (6) */
unsigned char           addr_len;

2.2.3 NAPI 相关字段

/* NAPI 实例链表头，驱动可注册多个 NAPI 实例 */
struct list_head        napi_list;

/* 轮询权重，决定一次 poll 最多处理多少包 */
int                     weight;

/* 旧式轮询控制器（非 NAPI 驱动使用） */
int                     (*poll_controller)(struct net_device *dev);

NAPI 注册流程： 驱动在探测函数中调用 netif_napi_add() 将 napi_struct 添加到 napi_list，并在中断处理中通过 napi_schedule() 触发轮询。后续章节将详细展开。

2.3 操作函数集：struct net_device_ops

net_device_ops 是驱动必须实现的核心操作表，内核协议栈通过该结构体调用驱动提供的功能。以下是现代驱动必须实现的几个关键回调：

回调函数	原型	触发时机	驱动职责
`ndo_open`	`int (open)(struct net_device )`	`ifconfig up` 或 `ip link set dev up`	申请 DMA 缓冲区、注册中断、启动 TX/RX 队列
`ndo_stop`	`int (stop)(struct net_device )`	`ifconfig down`	停止队列、释放中断、回收 DMA 缓冲区
`ndo_start_xmit`	`netdev_tx_t (start_xmit)(struct sk_buff , struct net_device *)`	内核协议栈有数据包要发送	将 `sk_buff` 映射到 DMA、触发硬件发送
`ndo_set_rx_mode`	`void (set_rx_mode)(struct net_device )`	设备加入/离开多播组或设置混杂模式	更新硬件过滤表（如多播地址列表）
`ndo_change_mtu`	`int (change_mtu)(struct net_device , int)`	`ip link set mtu`	验证新 MTU 值，更新 `dev->mtu`
`ndo_tx_timeout`	`void (tx_timeout)(struct net_device , unsigned int)`	发送超时（内核检测到队列停滞）	复位硬件、重置 TX 队列、统计超时计数
`ndo_get_stats64`	`void (get_stats64)(struct net_device , struct rtnl_link_stats64 *)`	用户读取 `/proc/net/dev` 或使用 `ip -s link`	填充收发统计信息（字节、包数、错误等）

2.4 辅助结构与 ethtool_ops

除了 net_device_ops，驱动通常还需要实现 ethtool_ops，用于支持 ethtool 工具查询和配置：

static const struct ethtool_ops my_ethtool_ops = {
    .get_drvinfo     = my_get_drvinfo,      // 驱动版本、固件版本
    .get_link        = my_get_link,         // 链路状态
    .get_ringparam   = my_get_ringparam,    // 环形缓冲区大小
    .set_ringparam   = my_set_ringparam,    // 设置环形缓冲区大小
    .get_coalesce    = my_get_coalesce,     // 中断合并参数
    .set_coalesce    = my_set_coalesce,     // 设置中断合并
};

/* 在 net_device 中注册 */
dev->ethtool_ops = &my_ethtool_ops;

  最佳实践： 即使驱动不实现所有 ethtool 回调，也应至少实现 get_drvinfo 和 get_link，以便运维人员快速诊断链路状态和驱动版本。

2.5 设备注册与注销流程

驱动使用以下 API 管理 net_device 的生命周期：

分配： struct net_device *alloc_etherdev(sizeof_priv) 或 alloc_netdev()
初始化： 填充 net_device_ops、ethtool_ops、features、dev_addr 等字段
注册： register_netdev(dev) — 使设备对协议栈可见
注销： unregister_netdev(dev) — 移除设备
释放： free_netdev(dev) — 回收内存

static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct net_device *ndev;
    struct my_priv *priv;

    /* 1. 分配 net_device + 私有数据 */
    ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
    if (!ndev)
        return -ENOMEM;

    /* 2. 设置操作函数集 */
    ndev->netdev_ops = &my_netdev_ops;
    ndev->ethtool_ops = &my_ethtool_ops;

    /* 3. 设置硬件特性 */
    ndev->features |= NETIF_F_SG | NETIF_F_IP_CSUM;

    /* 4. 设置 MAC 地址（从设备树或 EEPROM 读取） */
    eth_hw_addr_set(ndev, mac_addr);

    /* 5. 注册设备 */
    ret = register_netdev(ndev);
    if (ret) {
        free_netdev(ndev);
        return ret;
    }

    platform_set_drvdata(pdev, ndev);
    return 0;
}

static int my_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct net_device *ndev = platform_get_drvdata(pdev);
    unregister_netdev(ndev);
    free_netdev(ndev);
    return 0;
}

注销顺序： 必须先调用 unregister_netdev() 再调用 free_netdev()。在 unregister_netdev() 返回后，内核保证不再调用任何 net_device_ops 回调，此时才能安全释放硬件资源。

2.6 本章小结

struct net_device 是网络驱动的核心数据结构，包含标识、配置、地址、队列、NAPI、操作函数集和私有数据等区域。
net_device_ops 是驱动与内核协议栈交互的主要接口，ndo_open、ndo_stop、ndo_start_xmit 是必须实现的三个核心回调。
ethtool_ops 提供用户态诊断和配置能力，建议至少实现 get_drvinfo 和 get_link。
设备生命周期管理遵循“分配 → 初始化 → 注册 → 注销 → 释放”的固定顺序，不可颠倒。