第3章 接口层
所属：TCP/IP详解 卷2：实现 来源：TCP/IP详解 卷2：实现
本章描述内核中网络接口层的实现，包括ifnet结构、接口操作、接口初始化和接口统计等。
3.1 引言
接口层的作用
接口层的作用：
- 统一各种网络接口的抽象
- 向上提供统一的接口
- 向下对接不同的硬件
- 屏蔽硬件差异
接口层是网络栈和硬件之间的桥梁。
本章讨论的内容
本章讨论的内容：
- ifnet结构
- 接口操作
- 接口初始化
- 接口统计
- 接口ioctl
- 接口队列
本章讨论接口层的通用部分。
3.2 ifnet结构
什么是ifnet
ifnet（interface network）：
- 每个网络接口一个ifnet结构
- 统一的接口抽象
- 包含接口的所有信息
- 包含操作函数指针
ifnet是网络接口的统一抽象。
ifnet结构定义
ifnet结构的主要字段：
struct ifnet {
char *if_name; /* 接口名字，如"le" */
u_char if_unit; /* 单元号，如0 */
short if_flags; /* 接口标志 */
short if_timer; /* 定时器 */
int if_mtu; /* 最大传输单元 */
int if_metric; /* 度量值 */
int if_baudrate; /* 波特率 */
int if_ipackets; /* 接收包数 */
int if_ierrors; /* 接收错误数 */
int if_opackets; /* 发送包数 */
int if_oerrors; /* 发送错误数 */
int if_collisions; /* 冲突数 */
int if_ibytes; /* 接收字节数 */
int if_obytes; /* 发送字节数 */
int if_imcasts; /* 接收多播数 */
int if_omcasts; /* 发送多播数 */
int if_iqdrops; /* 输入队列丢弃数 */
int if_noproto; /* 不支持的协议数 */
struct ifaddr *if_addrlist; /* 地址链表 */
struct ifnet *if_next; /* 下一个接口 */
/* 函数指针 */
int (*if_init)(int); /* 初始化函数 */
int (*if_output)(struct ifnet *, struct mbuf *, ...); /* 输出函数 */
int (*if_ioctl)(struct ifnet *, int, caddr_t); /* ioctl函数 */
int (*if_reset)(int); /* 重置函数 */
void (*if_watchdog)(int); /* 看门狗函数 */
/* 队列 */
struct ifqueue if_snd; /* 发送队列 */
};字段说明
| 字段 | 说明 |
|---|---|
| if_name | 接口名字，如”le”、“sl”、“lo” |
| if_unit | 单元号，如0、1 |
| if_flags | 接口标志 |
| if_mtu | 最大传输单元 |
| if_metric | 度量值（选路用） |
| if_addrlist | 接口地址链表 |
| if_next | 下一个接口，全局链表 |
| if_init | 初始化函数指针 |
| if_output | 输出函数指针 |
| if_ioctl | ioctl函数指针 |
| if_snd | 发送队列 |
ifnet结构包含接口的所有信息和操作。
if_flags标志
常见的接口标志：
| 标志 | 说明 |
|---|---|
| IFF_UP | 接口已启用 |
| IFF_BROADCAST | 支持广播 |
| IFF_DEBUG | 调试模式 |
| IFF_LOOPBACK | 环回接口 |
| IFF_POINTOPOINT | 点对点接口 |
| IFF_RUNNING | 接口运行中 |
| IFF_NOARP | 不需要ARP |
| IFF_PROMISC | 混杂模式 |
| IFF_ALLMULTI | 接收所有多播 |
| IFF_MULTICAST | 支持多播 |
标志描述接口的属性和状态。
3.3 接口链表
全局接口链表
所有接口链接成一个全局链表：
- ifnet链表头
- 每个接口的if_next指向下一个
- 遍历所有接口
全局链表管理所有接口。
接口的查找
按名字查找接口：
- 遍历链表
- 比较名字和单元号
- 找到返回指针
例子：
- “le0” → 名字”le”，单元0
- “sl1” → 名字”sl”，单元1
可以按名字查找接口。
3.4 接口地址
ifaddr结构
接口地址结构（ifaddr）：
struct ifaddr {
struct sockaddr *ifa_addr; /* 接口地址 */
struct sockaddr *ifa_dstaddr; /* 对端地址（点对点） */
struct sockaddr *ifa_netmask; /* 子网掩码 */
struct ifnet *ifa_ifp; /* 所属接口 */
struct ifaddr *ifa_next; /* 下一个地址 */
/* ... 其他字段 ... */
};每个地址一个ifaddr结构。
多地址支持
一个接口可以有多个地址：
- if_addrlist是链表头
- 每个地址链接在链表上
- 支持多协议地址
- 支持多个IP地址
一个接口可以有多个地址。
3.5 接口操作
接口初始化
接口初始化（if_init）：
- 系统启动时调用
- 初始化硬件
- 初始化ifnet结构
- 注册中断处理
- 分配缓冲区
初始化是接口的第一个操作。
接口输出
接口输出（if_output）：
- 把数据发送出去
- 参数：接口、mbuf、目的地址等
- 把mbuf放到发送队列
- 启动发送
- 或直接发送
if_output是输出的统一入口。
接口输入
接口输入：
- 硬件收到数据
- 触发中断
- 中断处理程序读取数据
- 封装成mbuf
- 交给上层协议处理
输入是从硬件到上层的过程。
ioctl操作
接口ioctl（if_ioctl）：
- 控制接口的各种操作
- 设置地址
- 设置标志
- 获取统计
- 等等
ioctl提供了控制接口的手段。
3.6 接口队列
发送队列
发送队列（if_snd）：
- 待发送的分组队列
- 如果接口忙，就排队
- 按顺序发送
- 流控作用
发送队列缓存待发送的数据。
队列操作
队列操作：
- 入队：把分组加到队列尾
- 出队：从队列头取分组
- 队列长度限制
- 满了就丢弃
队列有长度限制，防止无限增长。
3.7 接口统计
统计字段
接口统计字段：
- if_ipackets：接收包数
- if_ierrors：接收错误数
- if_opackets：发送包数
- if_oerrors：发送错误数
- if_collisions：冲突数
- if_ibytes：接收字节数
- if_obytes：发送字节数
- if_imcasts：接收多播数
- if_omcasts：发送多播数
各种统计信息，方便监控。
netstat命令
netstat命令：
- 查看接口统计
- netstat -i
- 显示每个接口的统计信息
netstat是常用的监控工具。
3.8 小结
ifnet结构
-
结构定义
- if_name：接口名字
- if_unit：单元号
- if_flags：标志
- if_mtu：MTU
- if_addrlist：地址链表
- if_next：全局链表
- 各种函数指针
-
if_flags标志
- IFF_UP：启用
- IFF_BROADCAST：广播
- IFF_LOOPBACK：环回
- IFF_POINTOPOINT：点对点
- IFF_RUNNING：运行中
- IFF_MULTICAST：多播
接口链表
-
全局链表
- 所有接口链接在一起
- 可以遍历所有接口
-
接口查找
- 按名字查找
- 名字+单元号
接口地址
-
ifaddr结构
- ifa_addr：地址
- ifa_dstaddr：对端地址
- ifa_netmask：掩码
- ifa_ifp：所属接口
-
多地址支持
- 一个接口多个地址
- 链表组织
接口操作
-
初始化
- if_init
- 硬件初始化
-
输出
- if_output
- 统一输出入口
-
输入
- 中断处理
- 向上层传递
-
ioctl
- if_ioctl
- 各种控制操作
接口队列
-
发送队列
- if_snd
- 缓存待发送数据
-
队列操作
- 入队出队
- 长度限制
接口统计
-
统计字段
- 收发包数
- 错误数
- 字节数
- 多播数
-
netstat
- 查看统计
- 监控接口状态
关键概念
-
ifnet结构
- 统一的接口抽象
- 包含信息和操作
-
接口标志
- 描述接口属性和状态
-
接口地址
- 一个接口多个地址
- 链表组织
-
接口操作
- 初始化、输入、输出、ioctl
-
接口队列
- 发送队列
- 流控作用