2、内核网络设备驱动基础：struct net_device结构体详解、设备注册与注销流程

2.1 struct net_device 核心结构体

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接口。每个网络设备（物理网卡、虚拟网卡、网桥、VLAN 接口等）在内核中都由一个 net_device 实例表示。

该结构体定义在 include/linux/netdevice.h 中，包含数百个字段。以下按功能模块分类列出驱动开发最常接触的核心字段：

2.2 net_device_ops 操作函数表

struct net_device_ops 是驱动与内核网络栈交互的核心接口，所有 ndo_* 回调函数都通过该结构体注册。以下是驱动必须实现和常用可选的回调：

2.3 设备注册与注销完整流程

网络设备的生命周期分为三个阶段：分配 → 注册 → 注销。以下流程图展示了标准驱动中的完整路径：

2.4 分配与初始化代码模板

以下是一个典型 PCIe 网卡驱动的设备初始化代码片段：

#include <linux/netdevice.h>
#include <linux/etherdevice.h>
#include <linux/pci.h>

static int mynic_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *id)
{
    struct net_device *ndev;
    struct mynic_priv *priv;
    int ret;

    /* 1. 分配 net_device，自动包含私有数据区 */
    ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct mynic_priv));
    if (!ndev)
        return -ENOMEM;

    /* 2. 设置设备操作函数表 */
    ndev->netdev_ops = &mynic_netdev_ops;

    /* 3. 设置 ethtool 操作（可选） */
    ndev->ethtool_ops = &mynic_ethtool_ops;

    /* 4. 设置硬件特性 */
    ndev->features |= NETIF_F_HW_CSUM | NETIF_F_SG | NETIF_F_TSO;
    ndev->hw_features = ndev->features;

    /* 5. 设置 MAC 地址（从 EEPROM 读取） */
    mynic_read_mac_from_eeprom(pdev, ndev->dev_addr);

    /* 6. 获取私有数据指针并初始化 */
    priv = netdev_priv(ndev);
    priv->pdev = pdev;
    priv->ndev = ndev;
    spin_lock_init(&priv->lock);

    /* 7. 注册设备到内核 */
    ret = register_netdev(ndev);
    if (ret) {
        free_netdev(ndev);
        return ret;
    }

    /* 8. 保存 ndev 到 pci_dev 的驱动数据 */
    pci_set_drvdata(pdev, ndev);

    return 0;
}

2.5 注销与清理代码模板

static void mynic_remove(struct pci_dev *pdev)
{
    struct net_device *ndev = pci_get_drvdata(pdev);
    struct mynic_priv *priv = netdev_priv(ndev);

    /* 1. 注销网络设备 */
    unregister_netdev(ndev);

    /* 2. 停止硬件（禁用中断、DMA 等） */
    mynic_hw_stop(priv);

    /* 3. 释放 DMA 缓冲区、内存池等 */
    mynic_free_rx_rings(priv);
    mynic_free_tx_rings(priv);

    /* 4. 释放 net_device 结构体 */
    free_netdev(ndev);
}

2.6 注册状态机与错误处理

net_device 内部维护一个注册状态机 reg_state，驱动可以通过该字段判断设备当前所处的生命周期阶段：

2.7 设备注册与注销的 RTNL 锁要求

内核网络子系统要求所有设备注册/注销操作必须在 RTNL 锁（rtnl_lock）保护下进行。驱动开发中需注意以下规则：

• register_netdev()：内部会调用 rtnl_lock()，可在非 RTNL 上下文中调用。
• register_netdevice()：调用者必须已持有 rtnl_lock()，适用于批量注册场景。
• unregister_netdev()：内部会调用 rtnl_lock()，可在非 RTNL 上下文中调用。
• unregister_netdevice()：调用者必须已持有 rtnl_lock()。

以下流程图展示了 RTNL 锁在注册过程中的作用：

2.8 本章小结

• struct net_device 是网络设备驱动的核心数据结构，驱动通过 netdev_ops 向内核注册操作回调。
• 设备生命周期严格遵循 分配 → 初始化 → 注册 → 运行 → 注销 → 释放 的顺序。
• alloc_etherdev() 自动为以太网设备分配 net_device 并附带私有数据区。
• 注册/注销操作受 RTNL 锁保护，驱动应避免在锁内执行睡眠操作。
• 注销后必须调用 free_netdev() 释放内存，否则造成资源泄漏。