Linux系统网络设备启动和禁止“ifconfig eth0 up/down”命令的跟踪

GNU/Linux程序 1.8k 字 次

前面文章讲了Linux系统的ethtool框架的一些东西，是从用户空间可以直观认识到的地方入手。同样，本文从Linux系统绝大部分人都熟悉的“ifconfig eth0 up”命令来跟踪一下此命令在内核中的发生了什么事情。由于ifconfig启动(up)和禁止(down)网络设备很相似，就放到一起讲了。

首先从ifconfig的源码入手，我下载的源码地址是http://www.tazenda.demon.co.uk/phil/net-tools/。这个网站上还有大量很有用的工具的源码，源码分布符合Linux的系统目录，有兴趣的可以去看看。
在我们输入up或down时，对应的代码如下：

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main()
{
     if (!strcmp(*spp, "up")) {
         goterr |= set_flag(ifr.ifr_name, (IFF_UP | IFF_RUNNING));
         spp++;
         continue;
     }
     if (!strcmp(*spp, "down")) {
         goterr |= clr_flag(ifr.ifr_name, IFF_UP);
         spp++;
         continue;
     }
}

很简单，就是根据用户的输入来标志IFF_UP参考。当up时，使用set_flag置位IFF_UP和IFF_RUNNING，当down时，使用clr_flag清除IFF_UP。Linux的这种思想值得学习，其实对于内核来讲，真的就是通过IFF_UP标志来判断网卡的使能和禁止的。
来看设置标志的set_flag函数：

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static int set_flag(char *ifname, short flag)
{
    struct ifreq ifr;

    safe_strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);
    if (ioctl(skfd, SIOCGIFFLAGS, &ifr) < 0) {
     fprintf(stderr, _("%s: unknown interface: %s\n"),
          ifname,     strerror(errno));
     return (-1);
    }
    safe_strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);
    ifr.ifr_flags |= flag;
    if (ioctl(skfd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) < 0) {
     perror("SIOCSIFFLAGS");
     return -1;
    }
    return (0);
}

以及清除标志的clr_flag函数：

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static int clr_flag(char *ifname, short flag)
{
    struct ifreq ifr;
    int fd;

    if (strchr(ifname, ':')) {
        /* This is a v4 alias interface.  Downing it via a socket for
        another AF may have bad consequences. */
        fd = get_socket_for_af(AF_INET);
     if (fd < 0) {
         fprintf(stderr, _("No support for INET on this system.\n"));
         return -1;
     }
    } else
        fd = skfd;

    safe_strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);
    if (ioctl(fd, SIOCGIFFLAGS, &ifr) < 0) {
     fprintf(stderr, _("%s: unknown interface: %s\n"),
          ifname, strerror(errno));
     return -1;
    }
    safe_strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);
    ifr.ifr_flags &= ~flag;
    if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) < 0) {
     perror("SIOCSIFFLAGS");
     return -1;
    }
    return (0);
}

观察这两个函数，最后都是使用SIOCSIFFLAGS命令和内核交互。我们找到这个命令的使用地方，它位于net/core/dev.c文件，如下：

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int dev_ioctl(struct net *net, unsigned int cmd, void __user *arg)
{
     case SIOCSIFFLAGS:
     case SIOCSIFMETRIC:
     case SIOCSIFMTU:
     case SIOCSIFMAP:
     case SIOCSIFHWADDR:
     case SIOCSIFSLAVE:
     case SIOCADDMULTI:
     case SIOCDELMULTI:
     case SIOCSIFHWBROADCAST:
     case SIOCSIFTXQLEN:
     case SIOCSMIIREG:
     case SIOCBONDENSLAVE:
     case SIOCBONDRELEASE:
     case SIOCBONDSETHWADDR:
     case SIOCBONDCHANGEACTIVE:
     case SIOCBRADDIF:
     case SIOCBRDELIF:
     case SIOCSHWTSTAMP:
          if (!capable(CAP_NET_ADMIN))
               return -EPERM;
          /* fall through */
     case SIOCBONDSLAVEINFOQUERY:
     case SIOCBONDINFOQUERY:
          dev_load(net, ifr.ifr_name);
          rtnl_lock();
          ret = dev_ifsioc(net, &ifr, cmd);
          rtnl_unlock();
          return ret;
}

SIOCSIFFLAGS会调用到dev_ifsioc函数：

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static int dev_ifsioc(struct net *net, struct ifreq *ifr, unsigned int cmd)
{
     switch (cmd) {
     case SIOCSIFFLAGS:     /* Set interface flags */
          return dev_change_flags(dev, ifr->ifr_flags);
}

继续跟进dev_change_flags函数：

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int dev_change_flags(struct net_device *dev, unsigned flags)
{
     int ret, changes;
     int old_flags = dev->flags;

     ret = __dev_change_flags(dev, flags); // 打开设备
     if (ret < 0)
          return ret;

     changes = old_flags ^ dev->flags;
     if (changes)
          rtmsg_ifinfo(RTM_NEWLINK, dev, changes); // 暂未了解

     __dev_notify_flags(dev, old_flags); // 向通道链netdev_chain发出通知
     return ret;
}

真正干活的是__dev_change_flags函数：

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int __dev_change_flags(struct net_device *dev, unsigned int flags)
{
     if ((old_flags ^ flags) & IFF_UP) {     /* Bit is different  ? */
          ret = ((old_flags & IFF_UP) ? __dev_close : __dev_open)(dev);
}

根据标志选择打开设备__dev_open或关闭__dev_close。在同一文件还有dev_open或dev_close，我发现它们使用了EXPORT_SYMBOL导出，供给其它模块使用，但在这里，是使用了__dev_XX函数的。
打开函数如下：

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static int __dev_open(struct net_device *dev)
{
    const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;
    int ret;

    ASSERT_RTNL();

    /*
     *    Is it even present?
     */
    if (!netif_device_present(dev))
        return -ENODEV;

    ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_PRE_UP, dev);
    ret = notifier_to_errno(ret);
    if (ret)
        return ret;

    /*
     *    Call device private open method
     */
    set_bit(__LINK_STATE_START, &dev->state);

    if (ops->ndo_validate_addr)
        ret = ops->ndo_validate_addr(dev);

    if (!ret && ops->ndo_open)
        ret = ops->ndo_open(dev);

    /*
     *    If it went open OK then:
     */

    if (ret)
        clear_bit(__LINK_STATE_START, &dev->state);

    return ret;
}

在真正调用具体驱动的接口前，先发NETDEV_PRE_UP给到通知链，再置__LINK_STATE_START，然后才调用驱动的ndo_open接口， 最后需要清除__LINK_STATE_START标志。 当ndo_open接口调用返回非0（即失败）时，需要清除__LINK_STATE_START标志，因为在调用之前已经置位了该标志，如此一来，才是有始有终。最后返回具体驱动接口的返回值。 (2019.6.26：感谢网友Tiger指正)
关闭函数如下：

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static int __dev_close(struct net_device *dev)
{
    const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;

    ASSERT_RTNL();
    might_sleep();

    /*
     *    Tell people we are going down, so that they can
     *    prepare to death, when device is still operating.
     */
    call_netdevice_notifiers(NETDEV_GOING_DOWN, dev);

    clear_bit(__LINK_STATE_START, &dev->state);

    /* Synchronize to scheduled poll. We cannot touch poll list,
     * it can be even on different cpu. So just clear netif_running().
     *
     * dev->stop() will invoke napi_disable() on all of it's
     * napi_struct instances on this device.
     */
    smp_mb__after_clear_bit(); /* Commit netif_running(). */

    dev_deactivate(dev);

    /*
     *    Call the device specific close. This cannot fail.
     *    Only if device is UP
     *
     *    We allow it to be called even after a DETACH hot-plug
     *    event.
     */
    if (ops->ndo_stop)
        ops->ndo_stop(dev);

    /*
     *    Device is now down.
     */

    dev->flags &= ~IFF_UP;

    return 0;
}

在真正调用具体驱动的接口前，先发NETDEV_GOING_DOWN给到通知链，表示网络设备准备挂了，再清除__LINK_STATE_START标志，然后才调用驱动的ndo_stop接口，最后需要清除IFF_UP。
经过内核的层层结构，条条框框，终于到了具体的驱动了，上面的函数使用的接口实际上是net_device_ops结构体的函数指针，还是以igb驱动为例，赋值如下：

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static const struct net_device_ops igb_netdev_ops = {
    .ndo_open        = igb_open,
    .ndo_stop        = igb_close,
    .ndo_start_xmit        = igb_xmit_frame_adv,
    .ndo_get_stats64    = igb_get_stats64,
    .ndo_set_rx_mode    = igb_set_rx_mode,
    .ndo_set_multicast_list    = igb_set_rx_mode,
    .ndo_set_mac_address    = igb_set_mac,
    .ndo_change_mtu        = igb_change_mtu,
    .ndo_do_ioctl        = igb_ioctl,
    .ndo_tx_timeout        = igb_tx_timeout,
    .ndo_validate_addr    = eth_validate_addr,
    .ndo_vlan_rx_register    = igb_vlan_rx_register,
    .ndo_vlan_rx_add_vid    = igb_vlan_rx_add_vid,
    .ndo_vlan_rx_kill_vid    = igb_vlan_rx_kill_vid,
    .ndo_set_vf_mac        = igb_ndo_set_vf_mac,
    .ndo_set_vf_vlan    = igb_ndo_set_vf_vlan,
    .ndo_set_vf_tx_rate    = igb_ndo_set_vf_bw,
    .ndo_get_vf_config    = igb_ndo_get_vf_config,
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
    .ndo_poll_controller    = igb_netpoll,
#endif
};

我们看到最开始的2个函数就是打开和关闭。在igb_probe函数对igb_netdev_ops进行赋值：

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netdev->netdev_ops = &igb_netdev_ops;

至此，整个过程分析完毕。 文中涉及到通知链，网络设备通知链netdev_chain，这个还没研究过，这里简单列一下：

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// 声明通知链表
static RAW_NOTIFIER_HEAD(netdev_chain);

//注册
int register_netdevice_notifier(struct notifier_block *nb)
{
raw_notifier_chain_register(&netdev_chain, nb);
}

// 注销：
int unregister_netdevice_notifier(struct notifier_block *nb)
{
     int err;
     err = raw_notifier_chain_unregister(&netdev_chain, nb);
}

31号的PS： 写完后想一想，感觉没到分析彻底，因为到具体的驱动后干了些什么还没跟踪，于是又花了点时间跟踪一下。我跟踪的是ti的网卡驱动，主要实现代码在cpsw.c文件，在http://lxr.oss.org.cn/source/drivers/net/ethernet/ti/?v=3.17可以找到。下面列出启动网卡时的过程的重要函数调用：

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> cpsw_ndo_open
> cpsw_slave_open
   > phy_connect (传递cpsw_adjust_link)
      > phy_connect_direct （PHY_READY）
      >  phy_prepare_link (赋值cpsw_adjust_link为adjust_link)
      > phy_start_machine
  > phy_start (PHY_READY变成PHY_UP)

phy_start之后进入了phy驱动重要的状态判断函数phy_state_machine，phy驱动有一个工作队列就是调用这个函数的，这个函数判断了网络各种状态：PHY_DOWN、PHY_UPPHY_AN、PHY_NOLINK，等，并做出对应的动作。我们设置了PHY_UP，则函数过程如下：

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phy_state_machine
 > phy_start_aneg
  > config_aneg
  > genphy_config_aneg（实际上是这个函数，由phy驱动赋值的）

到了genphy_config_aneg这个函数，就是直接和phy芯片打交道了，读phy寄存器、写phy寄存器。默认情况下会进行自动协商(其实就是写phy的第0个寄存器)，当然，如果不是，即phy_device成员变量autoneg是AUTONEG_DISABLE，则会强制设置指定的速率、双工模式。
至此，就不再继续分析、跟踪了。

2015.3.30 李迟