Loopback回环网卡设备实现
重要参考smoltcp
LoopBack网卡介绍
Linux LoopBack网卡是一个虚拟的网络接口，主要用于网络软件的测试和调试。它允许主机发送网络流量到自己，而不需要任何物理设备。当数据发送到LoopBack接口时，操作系统网络栈会立即接收这些数据，就像它们从网络上接收的一样。这使得开发人员可以测试和调试网络应用程序，而无需物理网络连接。
lo网卡注册在设备中，了解一个net device是如何注册的和如何实现driver的。
实现LoopBack网卡背景知识
网络基础
网络层
Linux网络配置
LoopBack Linux源码
链接： https://code.dragonos.org.cn/xref/linux-6.1.9/drivers/net/loopback.c
LoopBack源码分析
环回结构
导出函数
环回传输函数
loopback_xmit函数 ，接收两个参数：一个是struct sk_buff *skb，表示要发送的数据包；另一个是struct net_device *dev，表示要发送数据的设备。
以下是这段代码的主要步骤：
skb_tx_timestamp(skb);：记录数据包的发送时间戳。skb_clear_tstamp(skb);：清除数据包的时间戳，以防止net_timestamp_check()函数被不同的时钟基准混淆。skb_orphan(skb);：将数据包的所有者设置为NULL，这样在数据包被释放时，不会影响到任何进程。skb_dst_force(skb);：确保数据包的目的地被引用计数，这样在数据包被处理时，目的地不会被意外释放。skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);：设置数据包的协议类型，这是通过调用eth_type_trans()函数来确定的。len = skb->len;：记录数据包的长度。if (likely(__netif_rx(skb) == NET_RX_SUCCESS))：将数据包提交给网络接口接收函数__netif_rx()，如果接收成功，则更新设备的统计信息。return NETDEV_TX_OK;：返回NETDEV_TX_OK，表示数据包已经成功发送。
这段代码的主要目的是将数据包从LoopBack网卡发送到网络接口，然后由网络接口将数据包传递给网络协议栈进行处理。
统计信息读取函数
dev_lstats_read函数，这段代码是从Linux内核中读取网络设备统计信息的函数。函数名为dev_lstats_read，它接收三个参数：一个是struct net_device *dev，表示网络设备；另外两个是u64 *packets和u64 *bytes，它们用于存储读取的数据包数量和字节数。
以下是这段代码的主要步骤：
初始化
packets和bytes为0。使用
for_each_possible_cpu(i)循环遍历每个可能的CPU。这是因为在多核系统中，每个CPU都可能有自己的统计信息。获取每个CPU的统计信息，这是通过调用
per_cpu_ptr(dev->lstats, i)函数来实现的。使用
do...while循环读取统计信息，直到读取成功。（spinlock自旋锁的访问？）这是因为在多线程环境中，统计信息可能在读取过程中被其他线程修改，所以需要使用u64_stats_fetch_begin_irq()和u64_stats_fetch_retry_irq()函数来确保读取的一致性。（禁用中断）将读取的数据包数量和字节数累加到
packets和bytes中。
这段代码的主要目的是读取网络设备的统计信息，包括发送和接收的数据包数量和字节数。这些信息对于网络性能的监控和调优非常重要。
统计信息更新函数
loopback_get_stats64函数，用于向用户空间提供更新的统计信息，通常是被网络监控工具使用。这段代码是从Linux内核中获取LoopBack网卡统计信息的函数。函数名为loopback_get_stats64，它接收两个参数：一个是struct net_device *dev，表示网络设备；另一个是struct rtnl_link_stats64 *stats，用于存储读取的统计信息。
以下是这段代码的主要步骤：
定义两个变量
packets和bytes，用于存储读取的数据包数量和字节数。调用
dev_lstats_read(dev, &packets, &bytes);（上一个函数实现）函数读取统计信息。将读取的数据包数量和字节数分别赋值给
stats->rx_packets、stats->tx_packets、stats->rx_bytes和stats->tx_bytes。
这段代码的主要目的是获取LoopBack网卡的统计信息，包括发送和接收的数据包数量和字节数。这些信息对于网络性能的监控和调优非常重要。
设备初始化
loopback_dev_init函数 返回 int ， 函数初始化环回设备的统计信息结构，如果内存分配失败则返回错误。它接收一个参数：struct net_device *dev，表示要初始化的网络设备。
以下是这段代码的主要步骤：
调用
netdev_alloc_pcpu_stats(struct pcpu_lstats)函数为每个CPU分配一个pcpu_lstats结构体的空间，并将结果赋值给dev->lstats。pcpu_lstats结构体用于存储每个CPU的统计信息。检查
dev->lstats是否为NULL。如果为NULL，表示内存分配失败，返回-ENOMEM错误码。如果内存分配成功，返回0表示初始化成功。
这段代码的主要目的是初始化LoopBack网卡的统计信息结构体，为后续的统计信息收集做准备。
设备释放函数
loopback_dev_free函数在环回设备被移除时调用，以释放分配的资源。
把网络设备的loopback_back指向NULL，并释放dev的lstats（结构体用于存储每个CPU的统计信息。）
网络设备操作
设置loopback网卡属性函数
gen_lo_setup函数，它接收六个参数：一个是struct net_device *dev，表示要设置的网络设备；一个是unsigned int mtu，表示设备的最大传输单元；一个是const struct ethtool_ops *eth_ops，表示设备的ethtool操作；一个是const struct header_ops *hdr_ops，表示设备的头部操作；一个是const struct net_device_ops *dev_ops，表示设备的网络设备操作；一个是void (*dev_destructor)(struct net_device *dev)，表示设备的析构函数。
以下是这段代码的主要步骤：
设置设备的最大传输单元（MTU）。
设置设备的硬头部长度和最小头部长度为
ETH_HLEN，表示以太网头部的长度。设置设备的地址长度为
ETH_ALEN，表示以太网地址的长度。设置设备的类型为
ARPHRD_LOOPBACK，表示LoopBack设备。设置设备的标志为
IFF_LOOPBACK，表示LoopBack设备。设置设备的私有标志，包括
IFF_LIVE_ADDR_CHANGE和IFF_NO_QUEUE。调用
netif_keep_dst(dev)函数，表示设备保持目的地。设置设备的硬件特性为
NETIF_F_GSO_SOFTWARE，表示设备支持软件大段离散。设置设备的特性，包括散列、片段列表、软件大段离散、硬件校验和、接收校验和、SCTP CRC、高DMA、LLTX、网络命名空间本地、VLAN挑战和LoopBack。
设置设备的ethtool操作、头部操作、网络设备操作和析构函数。
设置设备需要释放网络设备。
调用
netif_set_tso_max_size(dev, GSO_MAX_SIZE)函数，设置设备的TSO最大大小。
这段代码的主要目的是设置LoopBack网卡的属性，包括最大传输单元、头部长度、地址长度、设备类型、设备标志、设备特性等。这些属性对于设备的正常工作非常重要。
loopback网卡设置函数
调用gen_lo_setup函数。
设置和登记loopback设备函数
loopback_setup函数。这段代码是Linux内核中初始化LoopBack网卡的函数。函数名为loopback_net_init，它接收一个参数：struct net *net，表示要初始化的网络命名空间。
以下是这段代码的主要步骤：
定义一个
struct net_device *dev变量，用于存储分配的网络设备。也就是loopback网卡调用
alloc_netdev(0, "lo", NET_NAME_PREDICTABLE, loopback_setup)函数分配一个网络设备，并将结果赋值给dev。如果分配失败，跳转到out标签。调用
dev_net_set(dev, net)函数将网络设备的网络命名空间设置为net。调用
register_netdev(dev)函数注册网络设备。如果注册失败，跳转到out_free_netdev标签。检查网络设备的接口索引是否等于
LOOPBACK_IFINDEX。如果不等于，调用BUG_ON()函数打印错误信息并停止内核。将网络设备赋值给
net->loopback_dev，表示网络命名空间的LoopBack设备。返回0表示初始化成功。
在out_free_netdev标签处，调用free_netdev(dev)函数释放网络设备。
在out标签处，如果网络命名空间等于初始网络命名空间，调用panic()函数打印错误信息并停止内核。
黑洞传输函数
blackhole_netdev_xmit函数，黑洞网络设备，用于丢弃标记为已过期或无效的传入数据包。这个设备不是命名空间的，而是全局可访问的。它接收两个参数：一个是struct sk_buff *skb，表示要发送的数据包；另一个是struct net_device *dev，表示要发送数据的设备。
以下是这段代码的主要步骤：
调用
kfree_skb(skb)函数释放数据包。这是因为”黑洞”网络设备不会真正发送数据，而是直接丢弃数据。调用
net_warn_ratelimited("%s(): Dropping skb.\n", __func__)函数打印警告信息，表示数据包被丢弃。这个函数会限制警告信息的打印频率，以防止日志被过多的警告信息淹没。返回
NETDEV_TX_OK，表示数据包已经”成功发送”。
这段代码的主要目的是实现一个”黑洞”网络设备，它会丢弃所有发送到它的数据。这个设备通常用于测试和调试，或者用于阻止不需要的网络流量。
记得设置网络设备操作结构体的发送函数
黑洞设备设置
blackhole_netdev_setup函数 调用 gen_lo_setup函数
黑洞设备初始化
blackhole_netdev_init函数，函数初始化和注册黑洞设备。它被标记为在内核初始化过程中调用。
以下是这段代码的主要步骤：
调用
alloc_netdev(0, "blackhole_dev", NET_NAME_UNKNOWN, blackhole_netdev_setup)函数分配一个网络设备，并将结果赋值给全局变量blackhole_netdev。如果分配失败，返回-ENOMEM错误码。调用
rtnl_lock()函数获取路由表锁，防止在初始化过程中路由表被其他线程修改。调用
dev_init_scheduler(blackhole_netdev)函数初始化网络设备的调度器。调用
dev_activate(blackhole_netdev)函数激活网络设备。调用
rtnl_unlock()函数释放路由表锁。将网络设备的标志设置为
IFF_UP | IFF_RUNNING，表示网络设备已经启动并正在运行。调用
dev_net_set(blackhole_netdev, &init_net)函数将网络设备的网络命名空间设置为初始网络命名空间。返回0表示初始化成功。
这段代码的主要目的是初始化”黑洞”网络设备，包括分配网络设备、初始化调度器、激活设备、设置网络命名空间等。这些操作对于网络设备的正常工作非常重要。