🔨 整理中 · 这一篇讲网络设备驱动——网卡(以太网/Wi-Fi/virtio-net)这类"按包收发、接入网络协议栈"的设备。素材以 6.19 源码 + kernel.org networking 文档 为权威。核心概念:net_device(网卡抽象)、sk_buff(网络包)、NAPI(中断+轮询混合,抗中断风暴)。

做什么

块设备按"块/扇区"走块 I/O 层,网络设备按"包(packet)"走网络协议栈(TCP/IP)。网卡驱动不直接面对 read/write 系统调用,而是:接收方向——硬件收包、驱动从网卡 FIFO 取出包构造成 sk_buff、往协议栈 netif_rx/napi_gro_receive 推;发送方向——协议栈把要发的包构造成 sk_buff 调驱动的 ndo_start_xmit、驱动让它 DMA 出去。驱动是"硬件和协议栈之间的搬运工"。这一篇拆 net_device(网卡怎么注册进协议栈)、net_device_ops(网卡的回调表)、sk_buff(包的数据结构)、NAPI(高吞吐下怎么不被中断压垮)。

要了解什么

一、网络设备 vs 块/字符设备

网络设备不是字符/块那种"cdev_add/device_add_disk + /dev 节点"的路子——它没有对应的 /dev 设备节点(用户态通过 socket 而非 read/write 访问),而是注册进网络协议栈、提供 net_device_ops 回调,协议栈发包/收包时调它。它在 sysfs 里以 /sys/class/net/<name>/ 出现(因为 net 设备归 net class),ip link/ifconfig 操作的就是 net_device。

二、net_device:网卡抽象

struct net_device(include/linux/netdevice.h:2105)是一个网卡的化身——名字(eth0/wlan0)、MAC 地址、MTU、收发统计、net_device_ops、NAPI 列表等。分配用 alloc_etherdev(以太网)或 alloc_netdev(自定义),填好后 register_netdev 注册进协议栈。每个网卡一个 net_device,协议栈内部按它管理"哪个接口收发哪个包"。

三、net_device_ops:网卡回调表

struct net_device_ops(netdevice.h:1424)是网卡的 vtable,核心回调:

• ndo_open/ndo_stop:ip link set up/down 时调,驱动在这里使能/关闭硬件、申请中断、启动 NAPI。
• ndo_start_xmit:发包核心——协议栈把一个 sk_buff 传过来,驱动让它 DMA 发出去,返回 NETDEV_TX_OK。
• ndo_set_rx_mode:设多播/混杂模式。
• ndo_get_stats64:返回收发统计(给 /proc/net/dev、ip -s link)。
• ndo_change_mtu:改 MTU。

注意没有"收包"回调——收包是硬件中断触发的,驱动在 ISR 里主动构造 sk_buff 推给协议栈(下一节的 NAPI)。

四、sk_buff:网络包的容器

sk_buff(套接字缓冲,include/linux/skbuff.h) 是网络包在内核里的标准容器。它不复制包内容、而是用一组指针标出"包数据在 buffer 里的位置",各层协议(以太网/IP/TCP)处理时通过 skb_push/skb_pull/skb_reserve 调整这些指针——加头时 push(指针往低地址推)、剥头时 pull(往高地址推)。一个 sk_buff 从驱动收到开始,层层上传到 socket,或从 socket 层层下发到驱动发送,沿途不复制包数据、只挪指针,高效。sk_buff 还带 dev(所属网卡)、协议类型、校验和、路由缓存等元数据。

五、NAPI:中断 + 轮询的混合,抗中断风暴

高速网络下(每秒百万包),每包都中断 CPU 会被中断风暴压垮——光处理中断就耗尽 CPU,没空真正收包。NAPI(New API) 的思路:中断只是触发"开始轮询",轮询阶段关中断、用一个 while 循环从网卡批量取包,取完(或达到预算/budget)再重开中断。这样高负载下从"每包一中断"退化成"一批包一轮询",中断数大减。

驱动用 netif_napi_add(dev, &napi, my_poll_fn, weight) 注册一个 poll 回调和权重(weight,该 NAPI 每轮能取的包数预算);收包中断里 napi_schedule(&napi)(关中断、调度软中断 poll);my_poll_fn 里循环从网卡 FIFO 取包、napi_gro_receive 推协议栈,取完 napi_complete 重开中断。现代网卡几乎都用 NAPI,它是网络驱动性能的关键。

六、注册流程

struct net_device *dev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
dev->netdev_ops = &my_netdev_ops;       /* :1424 */
netif_napi_add(dev, &my_priv->napi, my_napi_poll, NAPI_POLL_WEIGHT);
eth_hw_addr_set(dev, mac);              /* 设 MAC */
register_netdev(dev);                   /* 注册进协议栈,/sys/class/net/<name> 出现 */

register_netdev 后,ip link set <name> up 触发 ndo_open(使能硬件、request_irq、napi_enable),网络就通了。

动手试试

1. ip link/ifconfig -a 看网络设备列表;ls /sys/class/net/ 看每个 net_device
2. cat /proc/net/dev 看每个网卡的收发统计(对应 ndo_get_stats64)
3. QEMU 加 virtio-net(-netdev/ -device virtio-net),Guest 里 ip link set eth0 up + ping
4. 读 drivers/net/ethernet/ 下某简单驱动(或 drivers/net/loopback.c),看 net_device_ops/napi 怎么填
5. 思考题:为什么高速网卡都用 NAPI 而不是每包一中断?(提示:中断风暴)

延伸阅读

• 源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/netdevice.h:2105 struct net_device、:1424 struct net_device_ops;include/linux/skbuff.h 的 sk_buff;NAPI 在 include/linux/netdevice.h(netif_napi_add/napi_schedule/napi_complete)与 net/core/dev.c;协议栈核心 net/core/、各协议 net/ipv4/、net/ipv6/;示例驱动 drivers/net/ethernet/(如 intel/realtek)、drivers/net/virtio_net.c。
• kernel.org:Networking 各子文档(NAPI、TX/RX 路径、统计...)。
• 关联本站:本篇是 00 driver model 的网络设备类型;网络协议栈的深入(协议层)属于本站 net 藤(已有 16 篇骨架);sk_buff 的链表用法见 12 内核数据结构。