xv6 Lab (net) | Nowhere Land

网络驱动这一章节，需要实现一个网络驱动。实际上写的过程中我主要是看 lab 官网的 hint，只有在遇到不确定的内容的时候再去看技术手册。

xv6 的网络结构

xv6 实现了简单的 udp、ip、arp，并抽象成 socket。下面以发送 udp 数据报的角度，自上而下简单进行一些介绍。

众所周知，访问网络是通过 socket 这一比较特殊的 file descriptor。在进行 write 系统调用时，会进入 kernel/file.c/filewrite 函数中，该函数会判断文件类型是否为 socket，然后进行 sockwrite 的调用。

// kernel/file.c/filewrite:188
#ifdef LAB_NET
  else if(f->type == FD_SOCK){
    ret = sockwrite(f->sock, addr, n);
  }

sockwrite 函数在 kernel/sysnet.c 文件中。在 sockwrite 函数中，会通过 mbufalloc 函数来申请一个 mbuf，用来储存数据包的全部内容。mbuf 的定义在 kernel/net.h 文件中。

// kernel/net.h/mbuf:8
struct mbuf {
  struct mbuf  *next; // the next mbuf in the chain
  char         *head; // the current start position of the buffer
  unsigned int len;   // the length of the buffer
  char         buf[MBUF_SIZE]; // the backing store
};

// kernel/sysnet.c/sockwrite:188
m = mbufalloc(MBUF_DEFAULT_HEADROOM);

当创建 mbuf 时，head 指针并未指向 mbuf.buf 头部，而是中间的某个部分；而当数据包不断向底层传递，在数据外包裹一层又一层头的时候，head 指针就会不断往前移动；最终发送时候就是以 head 为起始的内容。

socketwrite 会调用 net_tx_udp，这个函数在 kernel/net.c 中，这个文件中包含的函数大都是协议内容，包括插入、去除每层的数据包头部。以插入（发送）为例，每一层都首先通过 mbufpushhdr 这个宏定义来移动 head 指针，然后将包（从 head 开始）转化为特定的数据结构以方便插入特定内容。

// kernel/net.c
#define mbufpushhdr(mbuf, hdr) (typeof(hdr)*)mbufpush(mbuf, sizeof(hdr))

char *
mbufpush(struct mbuf *m, unsigned int len)
{
  m->head -= len;
  if (m->head < m->buf)
    panic("mbufpush");
  m->len += len;
  return m->head;
}

其实详细内容可以不用管。然后 net_tx_udp 调用 net_tx_ip 来塞入 ip 层的头，net_tx_ip 调用 net_tx_eth 来塞入链路层的头，最后再调用 e1000_transmit，而这个 e1000_transmit 即网络设备驱动所提供的函数，用来控制网卡设备，真正完成包的发送。

网卡驱动

发送

这里还是以发送数据包为例，首先说明网卡驱动究竟要“做一些什么事情”才能让包发送出去。

首先网卡是有芯片的，它会自己做一定的事情，我们所需要做的只是给网卡的一些控制寄存器赋值，从而告诉它应该做哪些事情以及怎样做。这些寄存器由于总线，被映射为特定的物理地址。因此给特定内存赋值其实就完成了设备的配置。实际上这些东西就跟嵌入式开发类似。

网卡驱动维护了 tx_ring 和 tx_mbufs，前者用于管理要发送数据，后者用于清除掉以及发送的包。

e1000 网卡自带 DMA 芯片，会自动从内存中读某些区域的数据然后当作包来发送，然后设置特定的位，但是需要操作系统来定义特定的结构体类型，并且维护特定的数据结构。这里，tx_ring 即维护的数据结构，这是个数组，每个项内存的是 tx_desc 结构体。

读 e1000 的初始化函数可以获得关于该设备的大量信息。首先通过 tx_ring 是一个循环队列，E1000_TDT 的内容记录着这个循环队列的尾部，E1000_TDH 记录头部。每需要发送一个包，就将尾部往后移动一位，然后在空出写进相关信息。网卡自己每发送完成一个包，就会把头部往后移动一位，然后把刚刚发送的包的状态进行设置（如果有 RS 的命令）。如果状态显示 DD 位是 1，那么说明这个地方是空的（之前放在这里的包已经发送完了），可以使用，而且这个时候还需要使用 mbuffree 来将 tx_mbufs 中保存的该位置的 mbuf 进行 free 来释放内存。

transmit 函数需要将上层传来的 mbuf 中的要发送数据写进某个 tx_desc 中（实际上只写了个地址，事后网卡会自己读那个地址中的内容，也就是数据），然后将 mbuf 的地址写进 tx_mbufs 的某个项中，以便于该包传完了，free 掉这个 mbuf。除此之外，还需要在写数据包地址的 tx_desc 中设置相关的包的描述信息，例如将 status 的 E1000_TXD_STAT_DD 位标记为 0，设置 length 为 mbuf 中的 len，设置 cmd 为 EOP（因为是 udp）和 RS（因为需要记录下 DD）等。

接收

接收也是类似，同样是循环队列，同样有队头队尾，只不过，接收函数需要调用 net_rx 函数，然后 net_rx 从链路层到 IP 层再到 UDP 层，层层解包，并进行处理得到真正的数据，是一个自下而上的过程。

一套动作完成后，mbuf 在高层被释放掉，因此这里需要新创建一个 mbuf 填到该 rx_ring 中来让网卡接收到的包有地方去写。

代码