📚 课程目录第1章网络驱动概述

网络驱动开发：从sk_buff到NAPI收包流程 - 第1节

1.1 Linux 网络驱动模型概述

Linux 网络驱动位于内核协议栈与物理网络设备之间，承担着数据帧的收发、设备管理、中断处理等核心职责。理解其整体模型，是掌握网络驱动开发的基石。

1.1.1 驱动模型分层架构

Linux 网络驱动遵循“内核抽象层 → 驱动核心层 → 硬件操作层”的三层架构，每一层职责清晰，接口稳定。

  核心分层：
  网络协议栈接口层：通过 struct net_device 与内核协议栈交互，提供 ndo_start_xmit、netif_rx 等标准接口。
驱动核心层：管理 sk_buff 缓冲区、NAPI 调度、中断处理、统计计数。
硬件操作层：直接操作 DMA 引擎、MAC 寄存器、PHY 芯片，完成数据帧的物理收发。

1.1.2 关键数据结构关系

网络驱动中三个核心数据结构构成驱动骨架：

数据结构	作用域	核心字段 / 方法
`struct net_device`	网络设备抽象	`name`, `dev_addr`, `netdev_ops`, `features`
`struct sk_buff`	网络缓冲区	`data`, `len`, `dev`, `protocol`, `cb`
`struct napi_struct`	NAPI 轮询实例	`poll`, `weight`, `state`, `dev_list`

驱动开发要点： 驱动注册时需填充 net_device_ops 中的 ndo_open、ndo_stop、ndo_start_xmit 等回调，协议栈通过这些回调驱动硬件工作。

1.2 OSI 与 TCP/IP 协议栈模型

网络驱动处于物理层和数据链路层，向上为网络层提供统一接口。理解 OSI 与 TCP/IP 的映射关系，有助于定位驱动在协议栈中的位置。

1.2.1 分层对比

OSI 七层模型	TCP/IP 四层模型	典型协议 / 组件	驱动关注点
应用层	应用层	HTTP, FTP, DNS	—
表示层		SSL/TLS, MIME	—
会话层		RPC, NetBIOS	—
传输层	传输层	TCP, UDP	—
网络层	网络层	IP, ICMP, ARP	—
数据链路层	网络接口层	以太网 MAC, VLAN, LLC	驱动核心区域
物理层	网络接口层	MII, RMII, RGMII, PHY	硬件操作区域

常见误区： 驱动开发者常将“网络接口层”等同于“网卡驱动”，实际上该层包含硬件驱动、MAC 控制器、PHY 以及链路层协议（如 ARP、LLDP）的协同工作。

1.3 驱动与协议栈的接口

驱动与内核协议栈之间通过一组标准化的接口进行双向数据交换。收包方向：硬件 → 驱动 → 协议栈；发包方向：协议栈 → 驱动 → 硬件。

1.3.1 核心接口函数

方向	接口函数	调用者	功能描述
收包	`netif_rx()` / `napi_gro_receive()`	驱动中断处理 / NAPI poll	将 `sk_buff` 送入协议栈接收队列
发包	`ndo_start_xmit()`	协议栈 `dev_queue_xmit()`	驱动将 `sk_buff` 映射到 DMA 并触发发送
设备注册	`register_netdev()`	驱动初始化	将 `net_device` 注册到内核网络子系统
设备注销	`unregister_netdev()`	驱动卸载	从内核移除设备并释放资源
流量控制	`netif_stop_queue()` / `netif_wake_queue()`	驱动发送完成 / 发送满	控制协议栈是否继续向驱动投递发包请求

1.3.2 收包数据流（驱动视角）

硬件接收：网卡收到数据帧，通过 DMA 写入预分配的内存缓冲区（Ring Buffer）。
中断触发：网卡产生硬件中断，驱动中断处理函数被调用。
NAPI 调度：驱动关闭中断并加入 NAPI 轮询列表，调用 napi_schedule()。
sk_buff 构建：在 NAPI poll 回调中，驱动从 Ring Buffer 取出数据，构建 struct sk_buff。
协议栈递交：调用 napi_gro_receive() 或 netif_rx() 将 sk_buff 送入协议栈。

1.3.3 发包数据流（驱动视角）

协议栈封装：Socket 层 → TCP/UDP → IP → 邻居子系统，最终调用 dev_queue_xmit()。
驱动回调：协议栈通过 net_device_ops->ndo_start_xmit() 将 sk_buff 传递给驱动。
DMA 映射：驱动将 sk_buff 中的数据映射到 DMA 描述符，通知 DMA 引擎开始发送。
发送完成：硬件发送完成后产生完成中断，驱动释放 sk_buff 并更新统计。

关键代码片段：ndo_start_xmit 典型实现骨架

static netdev_tx_t my_ndo_start_xmit(struct sk_buff *skb,
                                      struct net_device *dev)
{
    struct my_priv *priv = netdev_priv(dev);
    
    // 停止发送队列（如果硬件 TX 环已满）
    if (tx_ring_full(priv))
        netif_stop_queue(dev);
    
    // DMA 映射 skb->data
    dma_addr_t dma_addr = dma_map_single(dev->dev.parent,
                                         skb->data, skb->len,
                                         DMA_TO_DEVICE);
    
    // 将 DMA 地址填入 TX 描述符，触发发送
    tx_desc_fill(priv, dma_addr, skb->len);
    
    // 更新统计
    dev->stats.tx_packets++;
    dev->stats.tx_bytes += skb->len;
    
    // 释放 sk_buff（或在发送完成中断中释放）
    dev_kfree_skb_any(skb);
    
    return NETDEV_TX_OK;
}

1.4 本章小结

Linux 网络驱动采用三层模型：协议栈接口层、驱动核心层、硬件操作层。
OSI 数据链路层和物理层对应 TCP/IP 网络接口层，是驱动开发的主战场。
驱动与协议栈通过 net_device_ops、netif_rx() / napi_gro_receive()、netif_stop_queue() / netif_wake_queue() 等接口完成双向数据交换。
收包流程的核心路径：硬件 DMA → 中断 → NAPI 调度 → sk_buff 构建 → 协议栈递交。