深入理解Linux网络技术内幕——设备的注册与初始化（一）

副标题：设备注册相关的基本结构的原理框架

设备注册与删除时间

    设备在下列两种情况下进行注册：

1）加载NIC驱动时

2）插入热插拔设备时

    这里NIC与热插拔设备有些不同。a.对于非热插拔NIC来说，NIC的注册是伴随着其驱动的发生的，而NIC可以内建到内核，也可以作为模块载入，如果内建入内核，则NIC设备和初始化均发生在引导时，如果NIC作为模块加载，则NIC的注册和驱动初始化均发生在模块加载时。b. 对于热插拔NIC设备来说，其驱动已经加载，因此设备的注册发生在插入设备，内核通知关联驱动时。

    设备的注销主要发生在下面两种情况

    1）卸载NIC驱动时(仅适用于以模块形式加载的设备）

    2）拔出热插拔设备时

设备的注册于注销架构

    下图分别描述了网络设备的注册和注销的大致流程，（以PCI Ethernet NIC为例，其它网络类似，主要是名字差异）

    首先调用alloc_etherdev（即alloc_netdev的包裹函数)，alloc_etherdev会为所有Ethernet设备通用的参数做初始化，驱动程序会初始化net_device的另一部分。之后以register_netdev完成注册。

net_device

分配net_device

net_device由alloc_netdev分配空间

//include/linux/netdevice.h
#define alloc_netdev(sizeof_priv, name, setup) \
    alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, name, setup, 1, 1)  
//net/core/dev.c
struct net_device *alloc_netdev_mqs(int sizeof_priv, const char *name,
        void (*setup)(struct net_device *),
        unsigned int txqs, unsigned int rxqs)

alloc_netdev带三个参数：

sizeof_priv: 因为net_device可以由驱动程序拓展私有空间，此参数表示拓展的私有空间的大小

name：设备名字（名字的一部分，可能还有一部分由内核完成）

setup：用于初始化设备的一些参数

此处设备会被分配一个设备名字，改名字一般带有序号，以确保唯一性：如eth0，eth1。

alloc_netdev一般会有一些包裹函数对其进行包裹：

设备（net_device)初始化

net_device结构非常庞大，其成员会有不同函数分批进行初始化。每个函数分别负责一组不同的字段子集。特别是下面三部分：

设备驱动程序：

    如IRQ、IO内存及IO端口，其值取决于硬件配置，有设备驱动程序进行初始化。

设备类型：

    同一设备类型的通用字段进行初始化，由XXX_setup进行。（设备类型初始话属于设备驱动程序初始化一部分，XXX_setup有XXX_probe调用）

各种功能：

    一部分在register_device中进行，有一些在关联模块接到通知时进行。

net_device结构的组织

    alloc_netdev第一个参数知名了私有数据块的大小，因此私有数据块会附加载net_device结构后。即net_device可以分为两部分，一部分是net_device基础的数据，第二部分是私有数据块（如下图所以）。私有数据块的空间分配可以与net_device第一部分数据空间一起完成（如驱动程序A、B），也可以有驱动程序自己分配（如驱动程序C）。

    从图中可以看出，net_device空间分配是，会有一块对其区域块（alignment padding），因此dev_base（全局表的表头指针）以及net_deivce中的next需要指向结构的开头，而非分配区域块的开头（即跳过填充区域块）。

    net_device插入在一个全局列表（以dev_base开头）和两张哈希表中后面介绍（以dev_name_head和dev_index_head开头）。

dev_base：

    全局表，内含所有net_device设备，能让内核轻易的浏览所有设备。

dev_name_head：

    hash表，以设备名称为索引，在使用老一代配置工具ioctl接口时极为有用。

dev_index_head：

    hash表，以设备ID：dev->ifindex为索引。使用新一代配置工具ip（来自IPROUTER2套件时），ip工具会通过Netlink与内核交互，这是通常就以设备ID为索引了。

    

查询：

    一般由 dev_get_by_name 和dev_get_by_index通过上面两张Hash表实现。有可能根据设备类型和mac地址通过全局表dev_base列表实现。

    所有查询都由 dev_base_lock锁进行保护

    All lookup routines are defined innet/core/dev.c.

设备状态

net_dev有多个字段用于定义设备当前状态：

flags     //用于各种标识的位域，多数标识代表设备拥有的能力，但IFF_UP特殊，标识设备开启或关闭，参见uapi/linux/if.h（IFF_XXX定义），并参考下文"开启和关闭网络设备“
reg_state //设备注册状态,参见下文注册状态
state     //和其他设备有关的设备状态，参见下文“队列规则状态”

设备注册状态：

NETREG_UNINITIALIZED //定义为0，net_device已分配， 且内容清0
NETREG_REGISTERING    //net_device已添加到“net_device结构的组织”提及的结构内，但内核依然要想/sys添加项目
NETREG_REGISTERED     //设备注册完成
NETREG_UNREGISTERING  //net_device已由“net_device结构的组织”提及的结构内删除
NETREG_UNREGISTERED   //设备完全除名
NETREG_RELEASED       //所有对net_device结构的引用已释放

队列规则状态：

_ _LINK_STATE_START      //设备开启
_ _LINK_STATE_PRESENT    //设备存在
_ _LINK_STATE_NOCARRIER  //没有载波
_ _LINK_STATE_LINKWATCH_EVENT  //设备状态已变更
_ _LINK_STATE_XOFF             //以下三个标识由负责管理流量入口与出口的设备所使用
_ _LINK_STATE_SHED             //
_ _LINK_STATE_RX_SCHED         //

虚拟设备：

      虚拟设备与真实设备有几个地方有差异：

    虚拟设备偶尔会调用register_netdevice和unregister_netdevice，而不是其包裹函数。并且自行上锁、解锁，以便获得更多的持有锁的时间。   

    真实设备不能由用户命令除名，而在卸载时自己除名。虚拟设备可以通过用户命令除名，但除名是否成功依赖于虚拟设备驱动设计。

    虚拟设备本文就不太多介绍了，以后再单独补充一篇虚拟设备与真实设备的差异的博文

上锁：

    net_devices包括一些上锁的手段，以后再补充了。。。