Lab11: Network

在本实验室中,您将为网络接口卡(NIC)编写一个xv6设备驱动程序。

获取xv6实验的源代码并切换到net分支:

$ git fetch
$ git checkout net
$ make clean

背景

[!TIP] 在编写代码之前,您可能会发现阅读xv6手册中的《第5章:中断和设备驱动》很有帮助。

您将使用名为E1000的网络设备来处理网络通信。对于xv6(以及您编写的驱动程序),E1000看起来像是连接到真正以太网局域网(LAN)的真正硬件。事实上,用于与您的驱动程序对话的E1000是qemu提供的模拟,连接到的LAN也由qemu模拟。在这个模拟LAN上,xv6(“来宾”)的IP地址为10.0.2.15。Qemu还安排运行Qemu的计算机出现在IP地址为10.0.2.2的LAN上。当xv6使用E1000将数据包发送到10.0.2.2时,qemu会将数据包发送到运行qemu的(真实)计算机上的相应应用程序(“主机”)。

您将使用QEMU的“用户模式网络栈(user-mode network stack)”。QEMU的文档中有更多关于用户模式栈的内容。我们已经更新了Makefile以启用QEMU的用户模式网络栈和E1000网卡。

Makefile将QEMU配置为将所有传入和传出数据包记录到实验目录中的packets.pcap文件中。查看这些记录可能有助于确认xv6正在发送和接收您期望的数据包。要显示记录的数据包,请执行以下操作:

tcpdump -XXnr packets.pcap

我们已将一些文件添加到本实验的xv6存储库中。kernel/e1000.c文件包含E1000的初始化代码以及用于发送和接收数据包的空函数,您将填写这些函数。kernel/e1000_dev.h包含E1000定义的寄存器和标志位的定义,并在《英特尔E1000软件开发人员手册》中进行了描述。kernel/net.ckernel/net.h包含一个实现IP、UDP和ARP协议的简单网络栈。这些文件还包含用于保存数据包的灵活数据结构(称为mbuf)的代码。最后,kernel/pci.c包含在xv6引导时在PCI总线上搜索E1000卡的代码。

你的工作(hard)

[!TIP|label:YOUR JOB] 您的工作是在kernel/e1000.c中完成e1000_transmit()e1000_recv(),以便驱动程序可以发送和接收数据包。当make grade表示您的解决方案通过了所有测试时,您就完成了。

[!TIP] 在编写代码时,您会发现自己参考了《E1000软件开发人员手册》。以下部分可能特别有用:

  • Section 2是必不可少的,它概述了整个设备。
  • Section 3.2概述了数据包接收。
  • Section 3.3与Section 3.4一起概述了数据包传输。
  • Section 13概述了E1000使用的寄存器。
  • Section 14可能会帮助您理解我们提供的init代码。

浏览《E1000软件开发人员手册》。本手册涵盖了几个密切相关的以太网控制器。QEMU模拟82540EM。现在浏览第2章,了解该设备。要编写驱动程序,您需要熟悉第3章和第14章以及第4.1节(虽然不包括4.1的子节)。你还需要参考第13章。其他章节主要介绍你的驱动程序不必与之交互的E1000组件。一开始不要担心细节;只需了解文档的结构,就可以在以后找到内容。E1000具有许多高级功能,其中大部分您可以忽略。完成这个实验只需要一小部分基本功能。

我们在e1000.c中提供的e1000_init()函数将E1000配置为读取要从RAM传输的数据包,并将接收到的数据包写入RAM。这种技术称为DMA,用于直接内存访问,指的是E1000硬件直接向RAM写入和读取数据包。

由于数据包突发到达的速度可能快于驱动程序处理数据包的速度,因此e1000_init()为E1000提供了多个缓冲区,E1000可以将数据包写入其中。E1000要求这些缓冲区由RAM中的“描述符”数组描述;每个描述符在RAM中都包含一个地址,E1000可以在其中写入接收到的数据包。struct rx_desc描述描述符格式。描述符数组称为接收环或接收队列。它是一个圆环,在这个意义上,当网卡或驱动程序到达队列的末尾时,它会绕回到数组的开头。e1000_init()使用mbufalloc()为要进行DMA的E1000分配mbuf数据包缓冲区。此外还有一个传输环,驱动程序将需要E1000发送的数据包放入其中。e1000_init()将两个环的大小配置为RX_RING_SIZETX_RING_SIZE

net.c中的网络栈需要发送数据包时,它会调用e1000_transmit(),并使用一个保存要发送的数据包的mbuf作为参数。传输代码必须在TX(传输)环的描述符中放置指向数据包数据的指针。struct tx_desc描述了描述符的格式。您需要确保每个mbuf最终被释放,但只能在E1000完成数据包传输之后(E1000在描述符中设置E1000_TXD_STAT_DD位以指示此情况)。

当当E1000从以太网接收到每个包时,它首先将包DMA到下一个RX(接收)环描述符指向的mbuf,然后产生一个中断。e1000_recv()代码必须扫描RX环,并通过调用net_rx()将每个新数据包的mbuf发送到网络栈(在net.c中)。然后,您需要分配一个新的mbuf并将其放入描述符中,以便当E1000再次到达RX环中的该点时,它会找到一个新的缓冲区,以便DMA新数据包。

除了在RAM中读取和写入描述符环外,您的驱动程序还需要通过其内存映射控制寄存器与E1000交互,以检测接收到数据包何时可用,并通知E1000驱动程序已经用要发送的数据包填充了一些TX描述符。全局变量regs包含指向E1000第一个控制寄存器的指针;您的驱动程序可以通过将regs索引为数组来获取其他寄存器。您需要特别使用索引E1000_RDTE1000_TDT

要测试驱动程序,请在一个窗口中运行make server,在另一个窗口中运行make qemu,然后在xv6中运行nettestsnettests中的第一个测试尝试将UDP数据包发送到主机操作系统,地址是make server运行的程序。如果您还没有完成实验,E1000驱动程序实际上不会发送数据包,也不会发生什么事情。

完成实验后,E1000驱动程序将发送数据包,qemu将其发送到主机,make server将看到它并发送响应数据包,然后E1000驱动程序和nettests将看到响应数据包。但是,在主机发送应答之前,它会向xv6发送一个“ARP”请求包,以找出其48位以太网地址,并期望xv6以ARP应答进行响应。一旦您完成了对E1000驱动程序的工作,kernel/net.c就会处理这个问题。如果一切顺利,nettests将打印testing ping: OKmake server将打印a message from xv6!

tcpdump -XXnr packets.pcap应该生成这样的输出:

reading from file packets.pcap, link-type EN10MB (Ethernet)
15:27:40.861988 IP 10.0.2.15.2000 > 10.0.2.2.25603: UDP, length 19
        0x0000:  ffff ffff ffff 5254 0012 3456 0800 4500  ......RT..4V..E.
        0x0010:  002f 0000 0000 6411 3eae 0a00 020f 0a00  ./....d.>.......
        0x0020:  0202 07d0 6403 001b 0000 6120 6d65 7373  ....d.....a.mess
        0x0030:  6167 6520 6672 6f6d 2078 7636 21         age.from.xv6!
15:27:40.862370 ARP, Request who-has 10.0.2.15 tell 10.0.2.2, length 28
        0x0000:  ffff ffff ffff 5255 0a00 0202 0806 0001  ......RU........
        0x0010:  0800 0604 0001 5255 0a00 0202 0a00 0202  ......RU........
        0x0020:  0000 0000 0000 0a00 020f                 ..........
15:27:40.862844 ARP, Reply 10.0.2.15 is-at 52:54:00:12:34:56, length 28
        0x0000:  ffff ffff ffff 5254 0012 3456 0806 0001  ......RT..4V....
        0x0010:  0800 0604 0002 5254 0012 3456 0a00 020f  ......RT..4V....
        0x0020:  5255 0a00 0202 0a00 0202                 RU........
15:27:40.863036 IP 10.0.2.2.25603 > 10.0.2.15.2000: UDP, length 17
        0x0000:  5254 0012 3456 5255 0a00 0202 0800 4500  RT..4VRU......E.
        0x0010:  002d 0000 0000 4011 62b0 0a00 0202 0a00  .-....@.b.......
        0x0020:  020f 6403 07d0 0019 3406 7468 6973 2069  ..d.....4.this.i
        0x0030:  7320 7468 6520 686f 7374 21              s.the.host!

您的输出看起来会有些不同,但它应该包含字符串“ARP, Request”,“ARP, Reply”,“UDP”,“a.message.from.xv6”和“this.is.the.host”。

nettests执行一些其他测试,最终通过(真实的)互联网将DNS请求发送到谷歌的一个名称服务器。您应该确保您的代码通过所有这些测试,然后您应该看到以下输出:

$ nettests
nettests running on port 25603
testing ping: OK
testing single-process pings: OK
testing multi-process pings: OK
testing DNS
DNS arecord for pdos.csail.mit.edu. is 128.52.129.126
DNS OK
all tests passed.

您应该确保make grade同意您的解决方案通过。

提示

首先,将打印语句添加到e1000_transmit()e1000_recv(),然后运行make server和(在xv6中)nettests。您应该从打印语句中看到,nettests生成对e1000_transmit的调用。

实现e1000_transmit的一些提示:

  • 首先,通过读取E1000_TDT控制寄存器,向E1000询问等待下一个数据包的TX环索引。
  • 然后检查环是否溢出。如果E1000_TXD_STAT_DD未在E1000_TDT索引的描述符中设置,则E1000尚未完成先前相应的传输请求,因此返回错误。
  • 否则,使用mbuffree()释放从该描述符传输的最后一个mbuf(如果有)。
  • 然后填写描述符。m->head指向内存中数据包的内容,m->len是数据包的长度。设置必要的cmd标志(请参阅E1000手册的第3.3节),并保存指向mbuf的指针,以便稍后释放。
  • 最后,通过将一加到E1000_TDT再对TX_RING_SIZE取模来更新环位置。
  • 如果e1000_transmit()成功地将mbuf添加到环中,则返回0。如果失败(例如,没有可用的描述符来传输mbuf),则返回-1,以便调用方知道应该释放mbuf

实现e1000_recv的一些提示:

  • 首先通过提取E1000_RDT控制寄存器并加一对RX_RING_SIZE取模,向E1000询问下一个等待接收数据包(如果有)所在的环索引。
  • 然后通过检查描述符status部分中的E1000_RXD_STAT_DD位来检查新数据包是否可用。如果不可用,请停止。
  • 否则,将mbufm->len更新为描述符中报告的长度。使用net_rx()mbuf传送到网络栈。
  • 然后使用mbufalloc()分配一个新的mbuf,以替换刚刚给net_rx()mbuf。将其数据指针(m->head)编程到描述符中。将描述符的状态位清除为零。
  • 最后,将E1000_RDT寄存器更新为最后处理的环描述符的索引。
  • e1000_init()使用mbufs初始化RX环,您需要通过浏览代码来了解它是如何做到这一点的。
  • 在某刻,曾经到达的数据包总数将超过环大小(16);确保你的代码可以处理这个问题。

您将需要锁来应对xv6可能从多个进程使用E1000,或者在中断到达时在内核线程中使用E1000的可能性。

copyright by duguosheng all right reserved,powered by Gitbook该文件修订时间: 2021-09-06 17:17:52

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