2. 网络设备核心结构：struct net_device 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，它抽象了每一个网络设备（物理或虚拟）。无论是千兆网卡、Wi-Fi 接口，还是 VLAN 子接口、Bridge、TUN/TAP，在内核中都以一个 net_device 实例表示。理解其核心字段是编写网络设备驱动的第一步。

2.1 结构体概览与生命周期

struct net_device 定义在 include/linux/netdevice.h 中，是一个巨型结构体（超过 200 个字段）。驱动开发者不需要掌握所有字段，但必须熟悉以下几类：

• 标识字段：设备名称、索引、类型。
• 配置字段：标志位、功能特性、MTU、MAC 地址。
• 操作函数集：netdev_ops、ethtool_ops。
• 数据路径字段：NAPI 结构、队列、统计信息。
• 链表与引用：全局设备链表、引用计数。

2.2 重要字段详解

2.2.1 name — 设备名称

设备名称是用户空间可见的网络接口名，如 eth0、wlan0、lo。内核通过 dev_name() 或直接访问 dev->name 获取。

/* 驱动中设置设备名称的典型方式 */
struct net_device *ndev;
ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
if (!ndev)
    return -ENOMEM;

/* 使用 dev_set_name 设置名称模板 */
dev_set_name(ndev, "myeth%d");

2.2.2 flags — 设备标志位

flags 字段（unsigned short）存储网络设备的当前状态和特性，定义在 include/uapi/linux/if.h。驱动通过 dev->flags 读取，通过 dev_change_flags() 或 ndo_change_rx_flags 回调修改。

2.2.3 features — 设备功能特性

features 字段（netdev_features_t，通常为 u64）声明设备硬件支持哪些 offload 功能。这些特性直接影响数据路径的处理方式：如果硬件支持某项 offload，内核协议栈可以跳过对应软件处理，大幅提升性能。

/* 驱动在 probe 中设置 features 的典型代码 */
struct net_device *ndev;

ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
ndev->features |= NETIF_F_SG | NETIF_F_IP_CSUM;
ndev->features |= NETIF_F_TSO | NETIF_F_GRO;
ndev->hw_features = ndev->features; /* 声明硬件真正支持的特性 */

2.2.4 netdev_ops — 网络设备操作函数表

netdev_ops 是驱动与内核协议栈之间的核心接口，类型为 const struct net_device_ops *。内核通过这个结构体调用驱动的具体实现。每个网络设备驱动都必须实现 ndo_start_xmit（发送数据包），其他回调按需实现。

/* 一个最小驱动的 netdev_ops 实现示例 */
static const struct net_device_ops my_netdev_ops = {
    .ndo_open       = my_open,
    .ndo_stop       = my_stop,
    .ndo_start_xmit = my_start_xmit,
    .ndo_set_rx_mode = my_set_rx_mode,
    .ndo_change_mtu  = my_change_mtu,
    .ndo_get_stats64 = my_get_stats64,
};

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

    ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
    if (!ndev)
        return -ENOMEM;

    ndev->netdev_ops = &my_netdev_ops;  /* 挂接操作函数表 */
    ndev->flags |= IFF_MULTICAST;       /* 声明支持多播 */

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

    return register_netdev(ndev);        /* 注册到内核 */
}

2.3 核心字段关系图

下图展示了 struct net_device 中几个关键字段之间的协作关系，以及它们如何连接驱动与内核协议栈：

2.4 驱动初始化流程中的字段填充顺序

在驱动 probe 函数中，填充 net_device 字段有固定的推荐顺序，违反顺序可能导致内核警告或功能异常：

1. 分配：调用 alloc_etherdev() 或 alloc_netdev() 分配 net_device 实例。
2. 设置名称：使用 dev_set_name() 设置设备名称模板。
3. 挂接操作函数：赋值 ndev->netdev_ops，指向驱动实现的函数表。
4. 设置特性：填充 ndev->features 和 ndev->hw_features。
5. 设置标志：按需设置 ndev->flags（如 IFF_MULTICAST）。
6. 设置 MAC 地址：如果硬件有固定 MAC，使用 eth_hw_addr_set() 设置。
7. 设置 MTU：如果硬件有特殊限制，修改 ndev->mtu 和 ndev->min_mtu/max_mtu。
8. 注册：调用 register_netdev(ndev) 将设备注册到内核网络子系统。

2.5 本章小结

• struct net_device 是网络驱动的核心数据结构，驱动开发者需重点掌握 name、flags、features、netdev_ops 四个字段。
• name 标识设备，flags 控制状态，features 声明硬件能力，netdev_ops 是驱动与内核的契约接口。
• 驱动在 probe 中按固定顺序填充这些字段，最后调用 register_netdev() 完成注册。
• 理解这些字段的语义和交互关系，是后续学习 ndo_start_xmit 发送和 NAPI 收包的基础。