第4章 接口：以太网
所属：TCP/IP详解 卷2：实现 来源：TCP/IP详解 卷2：实现
本章详细描述以太网接口的实现，包括LANCE以太网驱动、接口初始化、输入输出处理等。
4.1 引言
以太网接口的作用
以太网接口的作用：
- 连接IP层和物理网络
- 发送和接收以太网帧
- 处理ARP
- 提供接口统计
以太网是最常用的局域网技术。
本章讨论的内容
本章讨论的内容：
- LANCE以太网驱动
- 接口初始化
- 以太网输出
- 以太网输入
- 接口统计
以LANCE芯片为例介绍以太网驱动。
4.2 LANCE以太网驱动
什么是LANCE
LANCE（Local Area Network Controller for Ethernet）：
- AMD生产的以太网控制器芯片
- 经典的以太网控制器
- 很多系统使用
本书用LANCE作为例子。
le_softc结构
每个以太网接口有一个le_softc结构：
struct le_softc {
struct arpcom sc_ac; /* 通用ARP结构（包含ifnet） */
struct le_init_block sc_ib; /* 初始化块 */
/* ... 其他硬件相关字段 ... */
};- sc_ac：arpcom结构，包含ifnet和以太网地址
- 第一个成员是arpcom，可以强制类型转换
arpcom结构是以太网接口的通用部分。
arpcom结构
arpcom结构：
struct arpcom {
struct ifnet ac_if; /* 通用接口结构 */
u_char ac_enaddr[6]; /* 以太网地址 */
/* ... ARP相关 ... */
};- ac_if：ifnet结构，所有接口通用
- ac_enaddr：6字节以太网地址
所有以太网接口都有arpcom结构。
4.3 接口初始化
leattach函数
leattach函数：以太网接口初始化
void
leattach(unit)
int unit;
{
struct le_softc *sc;
struct ifnet *ifp;
/* 分配并初始化le_softc */
sc = &le_softc[unit];
ifp = &sc->sc_ac.ac_if;
/* 设置ifnet结构的函数指针 */
ifp->if_init = leinit;
ifp->if_output = ether_output;
ifp->if_start = lestart;
ifp->if_ioctl = leioctl;
ifp->if_reset = lereset;
/* 设置接口标志 */
ifp->if_flags = IFF_BROADCAST | IFF_SIMPLEX | IFF_MULTICAST;
/* 调用if_attach注册接口 */
if_attach(ifp);
/* 初始化硬件 */
leinit(unit);
}if_attach函数
if_attach函数：将接口加入系统的接口链表
void
if_attach(ifp)
struct ifnet *ifp;
{
/* 将接口加入ifnet链表 */
ifp->if_next = ifnet;
ifnet = ifp;
/* 分配链路层地址 */
/* ... */
}所有接口都在ifnet链表中。
leinit函数
leinit函数：初始化LANCE硬件
static void
leinit(unit)
int unit;
{
struct le_softc *sc = &le_softc[unit];
/*
* 设置初始化块
* 配置接收和发送描述符
*/
/*
* 启动芯片
*/
/*
* 设置接口为UP状态
*/
sc->sc_ac.ac_if.if_flags |= IFF_UP;
}4.4 以太网输出
ether_output函数
ether_output函数：以太网输出的通用函数
int
ether_output(ifp, m0, dst, rt0)
struct ifnet *ifp;
struct mbuf *m0;
struct sockaddr *dst;
struct rtentry *rt0;
{
struct ether_header *eh;
struct mbuf *m;
/*
* 1. 在mbuf前面预留以太网首部空间
*/
M_PREPEND(m, sizeof(struct ether_header), M_DONTWAIT);
/*
* 2. 根据目的IP地址查找以太网地址（ARP）
*/
/*
* 3. 构造以太网首部
*/
eh = mtod(m, struct ether_header *);
/* 设置目的地址、源地址、类型 */
/*
* 4. 调用接口的if_start发送
*/
(*ifp->if_start)(ifp);
return 0;
}以太网首部
以太网首部结构：
struct ether_header {
u_char ether_dhost[6]; /* 目的地址 */
u_char ether_shost[6]; /* 源地址 */
u_short ether_type; /* 类型 */
};- 目的地址：6字节
- 源地址：6字节
- 类型：2字节，标识上层协议
常见的类型值：
- 0x0800：IP
- 0x0806：ARP
- 0x8035：RARP
lestart函数
lestart函数：LANCE的发送函数
static void
lestart(ifp)
struct ifnet *ifp;
{
struct le_softc *sc = (struct le_softc *)ifp;
struct mbuf *m;
/*
* 从接口输出队列取一个分组
*/
IF_DEQUEUE(&ifp->if_snd, m);
/*
* 设置发送描述符
* 启动发送
*/
/*
* 如果队列还有数据，设置标志稍后再发
*/
}输出流程
以太网输出的完整流程：
应用层
|
v
TCP/UDP
|
v
IP层
|
v
ether_output
|
+---> ARP查找地址
|
v
加入接口输出队列
|
v
lestart（硬件发送）
|
v
物理网络
4.5 以太网输入
中断处理
以太网接收是中断驱动的：
- 网卡收到一个帧
- 产生中断
- CPU调用中断处理函数
- 中断处理函数读取帧
- 放入输入队列
- 触发软中断
- 软中断中调用ether_input
中断级别做最少的工作，主要处理在软中断。
leintr函数
leintr函数：LANCE中断处理
int
leintr(unit)
int unit;
{
struct le_softc *sc = &le_softc[unit];
/*
* 检查中断原因
*/
/*
* 处理接收中断
* - 从接收描述符取数据
* - 封装成mbuf
* - 加入输入队列
*/
/*
* 处理发送完成中断
* - 释放mbuf
* - 继续发送队列中的下一个
*/
/*
* 触发软中断
*/
schednetisr(NETISR_ETH);
}ether_input函数
ether_input函数：以太网输入处理（软中断中调用）
void
ether_input(ifp, m)
struct ifnet *ifp;
struct mbuf *m;
{
struct ether_header *eh;
u_short type;
/*
* 提取以太网首部
*/
eh = mtod(m, struct ether_header *);
type = ntohs(eh->ether_type);
/*
* 根据类型分用
*/
switch (type) {
case ETHERTYPE_IP:
/* 交给IP */
schednetisr(NETISR_IP);
break;
case ETHERTYPE_ARP:
/* 交给ARP */
arpinput(ifp, m);
break;
/* ... 其他类型 ... */
}
}输入流程
以太网输入的完整流程：
物理网络
|
v
网卡接收
|
v
硬件中断（leintr）
|
v
放入输入队列
|
v
软中断（NETISR_ETH）
|
v
ether_input
|
+---> IP输入（NETISR_IP）
|
+---> ARP输入
|
+---> 其他协议
4.6 接口统计
ifnet中的统计字段
ifnet结构中的统计字段：
struct ifnet {
/* ... */
/* 接收统计 */
u_long if_ipackets; /* 接收分组数 */
u_long if_ierrors; /* 接收错误数 */
u_long if_ibytes; /* 接收字节数 */
/* 发送统计 */
u_long if_opackets; /* 发送分组数 */
u_long if_oerrors; /* 发送错误数 */
u_long if_obytes; /* 发送字节数 */
/* 其他统计 */
u_long if_collisions; /* 冲突数 */
/* ... */
};常见的错误类型
接收错误类型：
- CRC错误
- 帧过长
- 帧过短
- 对齐错误
- 缓冲区溢出
发送错误类型：
- 载波丢失
- 冲突过多
- 延迟冲突
- 下溢
4.7 小结
LANCE驱动结构
-
le_softc结构
- 每个接口一个
- 包含arpcom和硬件相关字段
-
arpcom结构
- 以太网通用部分
- 包含ifnet和以太网地址
-
ifnet结构
- 所有接口通用
- 函数指针、统计、标志等
接口初始化
-
leattach
- 设置函数指针
- 设置接口标志
- 调用if_attach注册
-
if_attach
- 加入接口链表
- 分配链路层地址
-
leinit
- 初始化硬件
- 设置描述符
- 启动芯片
以太网输出
-
ether_output
- 通用输出函数
- ARP查找地址
- 构造以太网首部
- 调用if_start
-
lestart
- 硬件相关发送
- 从输出队列取数据
- 设置发送描述符
-
以太网首部
- 6字节目的地址
- 6字节源地址
- 2字节类型
以太网输入
-
中断处理（leintr）
- 硬件中断
- 读取数据
- 放入输入队列
- 触发软中断
-
ether_input
- 软中断中处理
- 解析以太网首部
- 根据类型分用
-
分用
- IP → NETISR_IP
- ARP → arpinput
- 其他 → 对应协议
接口统计
-
接收统计
- 分组数、错误数、字节数
-
发送统计
- 分组数、错误数、字节数
-
其他统计
- 冲突数等
关键概念
-
以太网接口
- 连接IP层和物理网络
- 发送接收以太网帧
-
arpcom结构
- 以太网接口通用结构
- 包含ifnet和MAC地址
-
ether_output
- 通用输出函数
- ARP + 构造首部 + 发送
-
ether_input
- 通用输入函数
- 分用上层协议
-
中断 + 软中断
- 中断做最少工作
- 软中断做主要处理