Android内核网络栈调试与驱动数据通路优化 - 第2节

2.1 struct net_device 结构体详解

struct net_device 是 Linux 内核网络子系统中最重要的数据结构之一，它抽象了一个网络设备的所有属性和操作。无论是物理网卡、虚拟网桥还是 VLAN 接口，在内核中都以 struct net_device 实例表示。理解其内部布局是驱动开发和网络栈调试的基础。

2.1.1 核心字段分类

struct net_device 包含数百个字段，按功能可划分为以下几类：

分类	关键字段	说明
标识	name, dev_id, ifindex	设备名称（如 eth0）、设备 ID、全局唯一接口索引
配置	mtu, flags, features	最大传输单元、IFF_UP 等标志位、设备特性位图
地址	dev_addr, broadcast, perm_addr	MAC 地址、广播地址、永久硬件地址
统计	stats, tstats, lstats	收发统计计数（包数、字节数、错误数）
操作函数	netdev_ops, ethtool_ops	设备打开/关闭/发送等操作函数表
NAPI	napi_list, poll_controller	NAPI 轮询列表、轮询控制函数
队列	rx_queue, tx_queue, ingress_queue	接收/发送/入口队列管理结构
链路层	type, hard_header_len, addr_len	链路类型（ARPHRD_ETHER）、头部长度、地址长度

2.1.2 netdev_ops 操作函数表

每个网络设备驱动必须实现 struct net_device_ops 中的核心回调函数：

struct net_device_ops {
    int (*ndo_open)(struct net_device *dev);
    int (*ndo_stop)(struct net_device *dev);
    netdev_tx_t (*ndo_start_xmit)(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev);
    void (*ndo_get_stats64)(struct net_device *dev, struct rtnl_link_stats64 *stats);
    int (*ndo_set_mac_address)(struct net_device *dev, void *addr);
    int (*ndo_change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu);
    int (*ndo_do_ioctl)(struct net_device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);
    void (*ndo_poll_controller)(struct net_device *dev);
    int (*ndo_set_features)(struct net_device *dev, netdev_features_t features);
};

2.1.3 设备特性位图 (features)

net_device->features 使用位图表示设备硬件卸载能力，直接影响网络栈的数据处理路径：

特性标志	含义	影响
NETIF_F_SG	支持分散/聚集 I/O	允许 skb 使用多个片段
NETIF_F_IP_CSUM	IPv4 TCP/UDP 校验和卸载	减少 CPU 计算开销
NETIF_F_HW_VLAN_CTAG_RX	硬件 VLAN 剥离	接收时自动去除 VLAN 标签
NETIF_F_TSO	TCP 分段卸载	大包直接交给网卡分段
NETIF_F_LRO	大接收卸载	合并接收包减少中断
NETIF_F_RXCSUM	接收校验和卸载	硬件验证校验和

2.1.4 struct net_device 内部结构示意

下图展示了 struct net_device 的核心字段组织关系：

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2.2 网络设备注册与注销流程

网络设备从创建到销毁经历完整的生命周期管理。驱动必须遵循内核提供的 API 进行注册和注销，否则会导致设备不可用或内核崩溃。

2.2.1 设备注册流程

标准注册流程包含以下步骤：

1. 分配 net_device：调用 alloc_netdev() 或 alloc_etherdev() 分配设备结构体
2. 初始化私有数据：驱动填充 netdev_ops、ethtool_ops、features 等字段
3. 设置硬件参数：配置 MAC 地址、MTU、队列数等
4. 注册设备：调用 register_netdev() 将设备加入内核网络子系统
5. 启动设备：通过 netif_carrier_on() 和 netif_start_queue() 激活链路和发送队列

// 典型驱动注册代码片段
struct net_device *ndev;
struct my_priv *priv;

// 1. 分配设备（以太网设备，额外私有数据大小 sizeof(*priv)）
ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
if (!ndev)
    return -ENOMEM;

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

// 3. 设置特性
ndev->features |= NETIF_F_IP_CSUM | NETIF_F_SG;

// 4. 设置 MAC 地址（从硬件读取）
dev_addr_set(ndev, hw_mac);

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

// 6. 激活链路
netif_carrier_on(ndev);
netif_start_queue(ndev);

2.2.2 设备注销流程

注销流程是注册的逆操作，需确保所有引用被释放：

1. 停止队列：调用 netif_stop_queue() 停止发送
2. 关闭链路：调用 netif_carrier_off() 通知链路断开
3. 注销设备：调用 unregister_netdev() 从内核移除
4. 释放设备：调用 free_netdev() 释放内存

// 典型驱动注销代码片段
void my_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct net_device *ndev = platform_get_drvdata(pdev);

    // 1. 停止发送队列
    netif_stop_queue(ndev);

    // 2. 关闭链路
    netif_carrier_off(ndev);

    // 3. 注销设备（触发 NETDEV_UNREGISTER 通知链）
    unregister_netdev(ndev);

    // 4. 释放私有数据和设备结构体
    free_netdev(ndev);
}

2.2.3 注册与注销流程示意

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2.3 NAPI 轮询机制原理

NAPI（New API）是 Linux 内核为高性能网络设备设计的混合中断-轮询机制。它解决了传统中断驱动模型在高吞吐量场景下的“中断风暴”问题，是 Android 设备中 Wi-Fi、以太网和 Cellular 驱动的标准数据接收方式。

2.3.1 传统中断 vs NAPI 对比

特性	传统中断模式	NAPI 模式
数据接收方式	每个包触发一次中断	中断后切换为轮询
高吞吐性能	中断风暴导致 CPU 100%	轮询减少中断开销
低延迟场景	延迟低（立即响应）	需等待轮询周期
CPU 占用	中断上下文频繁切换	绑定到特定 CPU 核心
适用场景	低速设备（10Mbps 以下）	高速设备（100Mbps 以上）

2.3.2 NAPI 工作流程

NAPI 的核心思想是：在数据流量低时使用中断，流量高时自动切换为轮询。具体流程如下：

1. 中断触发：网卡收到数据包，触发硬件中断
2. 中断处理：ISR 调用 napi_schedule() 将设备的 NAPI 结构加入轮询列表
3. 关闭中断：NAPI 框架自动屏蔽该设备的接收中断
4. 轮询回调：内核在软中断上下文中调用驱动的 poll 函数
5. 批量处理：poll 函数从硬件读取多个包，通过 netif_receive_skb() 送入协议栈
6. 退出条件：当处理完所有包或达到预算（budget）时，重新开启中断

// NAPI poll 函数典型实现
static int my_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{
    struct my_priv *priv = container_of(napi, struct my_priv, napi);
    int work_done = 0;
    struct sk_buff *skb;

    while (work_done < budget) {
        skb = my_hw_read_packet(priv);  // 从硬件读取数据包
        if (!skb)
            break;

        // 送入网络协议栈
        netif_receive_skb(skb);
        work_done++;
    }

    // 如果处理完所有包，重新开启中断
    if (work_done < budget) {
        napi_complete_done(napi, work_done);
        my_hw_enable_interrupt(priv);  // 重新使能硬件中断
    }

    return work_done;
}

// 中断处理函数
irqreturn_t my_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    struct net_device *ndev = dev_id;
    struct my_priv *priv = netdev_priv(ndev);

    // 关闭硬件中断（NAPI 接管）
    my_hw_disable_interrupt(priv);

    // 调度 NAPI 轮询
    napi_schedule(&priv->napi);

    return IRQ_HANDLED;
}

2.3.3 NAPI 状态机与调度流程