5.2 网络设备驱动：net_device 与收发包

5.2 网络设备驱动：net_device 与收发包

本节摘要：网络设备驱动不接文件接口，而是把自己挂进协议栈的收发流水线。本节讲清 net_device 的注册手续、发包函数的契约、收包从硬中断到协议栈的上行路径，以及套接字缓冲区的生命周期纪律，最后把字符、块、网络三类驱动收拢成一张全景对照。

网卡驱动是四类驱动里"存在感"最特殊的一个：用户态找不到代表它的设备文件，却在每一次网络通信里都踩着它的肩膀。它不实现 file_operations，而是向网络栈注册两个方向的接口——协议栈要发包时调用它的发包函数，它收到包时把包塞回协议栈。驱动与框架的关系从"应答"变成了"协作"。

注册：把设备挂进协议栈

网络设备的核心对象是 net_device，注册流程比字符设备多一层"分配＋初始化"：

#include <linux/netdevice.h>
#include <linux/etherdevice.h>

static const struct net_device_ops net_ops = {
    .ndo_open       = net_if_open,       /* 接口启用：ifconfig up 时调用 */
    .ndo_stop       = net_if_stop,       /* 接口停用 */
    .ndo_start_xmit = net_if_xmit,       /* 发包入口：协议栈的发货口 */
};

static int __init net_drv_init(void)
{
    struct net_device *ndev;
    int ret;

    /* 分配以太网设备对象：自动带 14 字节链路头空间等默认设置 */
    ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct priv_data));
    if (!ndev)
        return -ENOMEM;

    ndev->netdev_ops = &net_ops;
    eth_hw_addr_set(ndev, factory_mac_addr);   /* 烧录地址或从硬件读出 */

    ret = register_netdev(ndev);               /* 挂进协议栈 */
    if (ret) {
        free_netdev(ndev);
        return ret;
    }
    return 0;
}
​

alloc_etherdev 分配的对象自带以太网默认配置，私有数据结构可挂在对象尾部随行——这是内核驱动保存实例状态的惯用法。注册完成后，接口在网络配置清单里出现，启用命令会触发 ndo_open（开 DMA 环、注册中断），停用命令触发 ndo_stop（对称收尾）。

$ ip link
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN
    link/ether 5a:21:3c:8e:11:04 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
$ ip link set eth0 up      # 触发 ndo_open
​

发包：协议栈的发货口

协议栈把封装好的包连同套接字缓冲区一起递给 ndo_start_xmit。驱动要做的三步：取包、投递硬件、管理缓冲：

static netdev_tx_t net_if_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *ndev)
{
    struct priv_data *priv = netdev_priv(ndev);

    /* 发送环满了：先报停，等完成中断里的空位再恢复 */
    if (tx_ring_full(priv)) {
        netif_stop_queue(ndev);          /* 告诉协议栈暂停投递 */
        return NETDEV_TX_BUSY;
    }

    /* 映射给 DMA（第 3.3 节的流式映射）并写入发送描述符 */
    tx_map_and_submit(priv, skb);

    /* 硬件收走数据前缓冲不能回收——记录引用，完成中断里释放 */
    priv->tx_skb[priv->tx_tail] = skb;
    tx_advance(priv);

    return NETDEV_TX_OK;                 /* 注意：返回 OK 不代表已发出 */
}
​

三个契约要点。其一，返回值语义：返回成功只表示"已接收此包"，实际发送异步完成，协议栈不指望同步确认。其二，流控靠停队：发送环满时用停队接口告诉协议栈"别再投了"，完成中断腾出空位后再开队——不做流控，环溢出包就悄悄丢。其三，缓冲所有权：包数据被硬件取走前，套接字缓冲区必须存活；释放时机在完成中断里，过早释放等于让硬件读一块已被改写的内存。

收包：从硬中断到协议栈

接收路径是网络驱动的重头戏，环环相扣：

1. 硬中断到来：网卡有包到达（现代驱动多用"收包合并"少中断多收包）
2. 中断处理：应答硬件，禁止收包中断，调度收包软中断（3.2 节的底半部）
3. 收包软中断：循环收取——从接收环取描述符，补挂新缓冲，逐包上交
4. 上交协议栈：填好协议类型与长度，调用接收接口
5. 协议栈接管：校验、分层、匹配套接字，唤醒用户态
​

收包软中断里的核心片段：

static int rx_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{
    struct priv_data *priv = container_of(napi, struct priv_data, napi);
    int received = 0;

    while (received < budget) {
        struct sk_buff *skb = rx_fetch(priv);
        if (!skb)
            break;                       /* 环空：收完了 */

        skb->protocol = eth_type_trans(skb, priv->ndev);
        netif_receive_skb(skb);          /* 上交协议栈 */
        rx_refill(priv);                 /* 补挂新缓冲防止断粮 */
        received++;
    }

    if (received < budget) {
        napi_complete_done(napi, received);
        rx_irq_enable(priv);             /* 预算没用完：重新开中断 */
    }
    return received;                     /* 用满预算则下轮继续 */
}
​

这套"中断关掉、按预算轮询、空了再开中断"的机制叫轮询式收包接口，是高速网卡的标准姿势：流量大时中断风暴被预算压制，流量小时回归中断唤醒——中断的低延迟与轮询的低开销兼得。预算机制还天然做了公平调度：每个设备每轮最多吃固定配额，谁也不能霸占处理器。

收发包双路径全景

四类驱动全景对照

至此四类驱动框架全部到场，把 1.3 节的分类口诀兑现成框架级对照：

平台设备（第 4 章）不在表里——它是"发现机制"而非数据框架，字符、块、网络设备都可以坐在平台总线的设备侧。先选数据框架，再定发现机制，这个两步决策覆盖几乎全部驱动立项场景。

本节要点回顾

• 协作而非应答：网络驱动向协议栈注册双向接口，没有文件操作表。
• 发包三契约：接单语义、缓冲延迟释放、停队流控。
• 收包走轮询预算：中断与轮询混合调度，公平与低延迟兼得。
• 缓冲纪律贯穿全程：谁分配谁释放，上交即移交所有权。

吞吐的框架讲完了，但高压流量立刻暴露新问题：多核并发访问、缓冲竞态、时序违例。第 6 章正面处理驱动的"稳健性五件事"——同步、时序、电源、安全、性能。