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：

  1. $ git fetch
  2. $ git checkout net
  3. $ 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：

  1. 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.c和kernel/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()和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_SIZE和TX_RING_SIZE。

当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_RDT和E1000_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nettests。nettests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: OK，make server将打印a message from xv6!。

tcpdump -XXnr packets.pcap应该生成这样的输出:

  1. reading from file packets.pcap, link-type EN10MB (Ethernet)
  2. 15:27:40.861988 IP 10.0.2.15.2000 > 10.0.2.2.25603: UDP, length 19
  3.         0x0000:  ffff ffff ffff 5254 0012 3456 0800 4500  ......RT..4V..E.
  4.         0x0010:  002f 0000 0000 6411 3eae 0a00 020f 0a00  ./....d.>.......
  5.         0x0020:  0202 07d0 6403 001b 0000 6120 6d65 7373  ....d.....a.mess
  6.         0x0030:  6167 6520 6672 6f6d 2078 7636 21         age.from.xv6!
  7. 15:27:40.862370 ARP, Request who-has 10.0.2.15 tell 10.0.2.2, length 28
  8.         0x0000:  ffff ffff ffff 5255 0a00 0202 0806 0001  ......RU........
  9.         0x0010:  0800 0604 0001 5255 0a00 0202 0a00 0202  ......RU........
  10.         0x0020:  0000 0000 0000 0a00 020f                 ..........
  11. 15:27:40.862844 ARP, Reply 10.0.2.15 is-at 52:54:00:12:34:56, length 28
  12.         0x0000:  ffff ffff ffff 5254 0012 3456 0806 0001  ......RT..4V....
  13.         0x0010:  0800 0604 0002 5254 0012 3456 0a00 020f  ......RT..4V....
  14.         0x0020:  5255 0a00 0202 0a00 0202                 RU........
  15. 15:27:40.863036 IP 10.0.2.2.25603 > 10.0.2.15.2000: UDP, length 17
  16.         0x0000:  5254 0012 3456 5255 0a00 0202 0800 4500  RT..4VRU......E.
  17.         0x0010:  002d 0000 0000 4011 62b0 0a00 0202 0a00  .-....@.b.......
  18.         0x0020:  020f 6403 07d0 0019 3406 7468 6973 2069  ..d.....4.this.i
  19.         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：

  1. $ nettests
  2. nettests running on port 25603
  3. testing ping: OK
  4. testing single-process pings: OK
  5. testing multi-process pings: OK
  6. testing DNS
  7. DNS arecord for pdos.csail.mit.edu. is 128.52.129.126
  8. DNS OK
  9. 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()和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mbuf的m->len更新为描述符中报告的长度。使用net_rx()将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()的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。