Драйвер Ethernet для xv6

Xv6 — учебная ОС — рассказывает об идеях, что лежат в основе операционных систем.

Книга об xv6 в формате pdf, html, epub

Исходный текст xv6 c драйвером virtio-net

Научим xv6 работать в сети, познакомимся со стандартом виртуальных устройств VirtIO, деревом устройств DeviceTree, технологией Ethernet, сетевыми протоколами, возведем сетевой мост между виртуальными машинами.

Драйвер помогает ОС общаться с сетевым адаптером. ОС просит драйвер отправить пакеты в сеть. Драйвер сообщает ОС, когда пакеты приходят из сети.

Драйвер и сетевой адаптер ведут очереди пакетов — исходящих и входящих. Драйвер помещает исходящий пакет в очередь, чтобы адаптер отправил пакет в сеть. Адаптер принимает пакет из сети и помещает в очередь входящих, чтобы драйвер прочел пакет.

Сетевой адаптер отправляет в сеть Ethernet-пакеты, а драйвер упаковывает информацию в Ethernet-пакеты перед отправкой. Сетевой адаптер Ethernet направляет пакет другому адаптеру — указывает в пакете MAC-адрес адаптера-получателя.

Ethernet-пакет содержит пакеты других протоколов — IP, TCP, UDP, ARP и другие. Ethernet-адаптер общается с другими Ethernet-адаптерами, но программы общаются с программами на других компьютерах и не знают об Ethernet.

Подключим сетевой адаптер

Xv6 работает на виртуальной машине QEMU. Укажем опции device и netdev, чтобы подключить сетевой адаптер virtio-net к машине и связать с адаптером tap на машине-хосте. Адаптер virtio-net передаст пакеты адаптеру tap, а tap — адаптеру virtio-net. Запустим Wireshark на хосте и увидим пакеты на tap.

QEMUOPTS += -device virtio-net-device,netdev=mynet,bus=virtio-mmio-bus.1,mac=52:54:00:78:76:36# 'xv6' in ASCII QEMUOPTS += -netdev tap,id=mynet

Makefile

Параметр bus=virtio-mmio-bus.1 означает, что QEMU отобразит регистры адаптера в память. Xv6 аналогично подключает и жесткий диск — указывает параметр bus=virtio-mmio-bus.0.

QEMUOPTS += -device virtio-blk-device,drive=x0,bus=virtio-mmio-bus.0

Код определяет адреса регистров устройства по смещению базового адреса. Пример: базовый адрес virtio-диска — VIRTIO0 = 0x10001000. Найдем базовый адрес сетевого адаптера. QEMU печатает дерево устройств, когда получит опцию dumpdtb. Программа dtc преобразует дерево из двоичного формата в текст.

qemu-system-riscv64 -M virt,dumpdtb=virt.dtb -nographic dtc -I dtb -O dts virt.dtb >> virt.dts

Узлы дерева virtio_mmio@XXXXXXXX — разъемы на шине virtio-mmio. Адрес XXXXXXXX — базовый адрес памяти, с которого устройство отобразит регистры. QEMU нумерует разъемы по возрастанию адресов, поэтому virtio-mmio-bus.1 получит адрес 0x10002000. Файл kernel/virtio.h определяет смещения регистров virtio-устройств от базового адреса.

Драйвер общается с устройством, когда пишет и читает регистры устройства.

Добавим область памяти с регистрами сетевого адаптера в таблицу страниц ядра — иначе драйвер получит ошибку доступа к памяти, когда обратится к регистру адаптера. Глава 3 расскажет о таблицах страниц подробнее.

kernel/vm.c:34

  // virtio mmio net interface   kvmmap(kpgtbl, VIRTIO1, VIRTIO1, PGSIZE, PTE_R | PTE_W);

Настроим сетевой адаптер

Настроим адаптер, когда ОС стартует:

Сбросим адаптер.
Сообщим, что ОС видит адаптер — установим бит ACKNOWLEDGE регистра состояния.
Сообщим, что ОС умеет управлять адаптером — установим бит DRIVER регистра состояния.
Согласуем набор возможностей адаптера — примитивный сетевой драйвер использует лишь VIRTIO_NET_F_MAC.
Подтвердим выбор — установим бит FEATURES_OK регистра состояния.
Снова прочтем бит FEATURES_OK и убедимся, что бит установлен, иначе устройство отвергло такой набор возможностей.
Прочитаем MAC-адрес адаптера, подготовим очереди входящих и исходящих пакетов.
Установим бит DRIVER_OK регистра состояния.

Функция virtio_net_init настраивает адаптер.

Очереди VirtIO

Драйвер и устройство передают друг другу буферы памяти с помощью очередей. Поместить буфер в VirtIO-очередь сложнее, чем добавить элемент к односвязному списку. Пристегнитесь.

Очередь VirtIO содержит три массива:

Массив дескрипторов. Каждый дескриптор описывает буфер памяти.
Массив available содержит номера дескрипторов, которые драйвер передал устройству.
Массив used содержит номера дескрипторов, которые устройство передало драйверу.

Драйвер ищет свободный дескриптор, заполняет буфер и пишет номер дескриптора в массив available, чтобы передать буфер устройству. Устройство пишет номер дескриптора в массив used, когда возвращает буфер драйверу.

Устройство не пишет в массив дескрипторов и работает только с буферами, которые предоставил драйвер. Драйвер заполняет очередь входящих пакетов буферами, чтобы адаптер принимал пакеты из сети.

Отправляем пакеты

Напишем программу ping и добавим к ядру xv6 системный вызов ping, который просит драйвер отправить пакет в сеть.

Пишем тесты. Тесты берегут нервы и время.

Пишем функции после тестов:

Объявим функцию ядра sys_ping и добавим в массив syscalls под номером SYS_ping. Объявим системный вызов ping в user/user.h и создадим точку входа в ядро с помощью скрипта user/usys.pl. Глава 4 расскажет о системных вызовах подробнее.

Системный вызов ping принимает IP-адрес хоста, на который отправит ICMP ECHO.

Функция virtio_net_intr обрабатывает прерывания, когда адаптер отправил или получил пакет. Глава 5 расскажет о прерываниях устройств.

Запустим программу ping и увидим, что пакет ушел в сеть.

ping 192.168.56.100

Принимаем пакеты

Адаптер прерывает процессор, когда получит пакет из сети. Функция virtio_net_intr обрабатывает и входящие пакеты. Драйвер обрабатывает входящий пакет и возвращает буфер в очередь входящих пакетов.

Пишем тесты:

Пишем функции после тестов:

Вспомогательные функции разбирают и печатают заголовки пакета:

Запустим xv6 и увидим, как случайные пакеты из сети попадают на адаптер, а драйвер печатает заголовки пакетов.

[Ethernet] EtherType: 0x86dd SourceAddress: 26:e3:ce:e6:aa:83 DestinationAddress: 33:33:0:0:0:fb [IPv6] NextHeader: 17 PayloadSize: 149 SourceAddress: fe80:00:00:00:24e3:ceff:fee6:aa83 DestinationAddress: ff2:00:00:00:00:00:00:0fb [UDP] SourcePort: 5353 DestinationPort: 5353 Length: 149 Checksum: 0xad89

Отправим пакет с другой машины

Запустим еще одну ВМ под QEMU и наведем мост между сетевыми адаптерами tap0 и tap1 хоста. Отправим ICMP ECHO и увидим, что xv6 получает ARP-запросы. Машина посылает в сеть ARP-запрос, чтобы узнать MAC-адрес владельца IP-адреса.

# /etc/network/interfaces.d/br0 on Debian host machine auto br0         iface br0 inet dhcp         bridge_ports enp0s8         bridge_fd 0

# Debian host brctl addif br0 tap0 tap1

# Gentoo VM ping 192.168.56.100

QEMU подключает сетевые интерфейсы tap0 и tap1 к хосту после запуска виртуальных машин

Мост br0 объединяет интерфейсы tap0, tap1 и enp0s8 в одну сеть

Отправим DHCP-запрос

Пишем тесты:

Пишем функции после тестов:

DHCP-клиент выполняет такие шаги:

Отправляет сообщение DHCPDISCOVER, чтобы найти DHCP-серверы в сети.
Получает предложения DHCPOFFER серверов и выбирает одно.
Отправляет DHCPREQUEST серверу с просьбой выдать IP-адрес.
Получает подтверждение DHCPACK или отказ DHCPNAK сервера.

Добавим функцию ядра sys_dhcp_request и системный вызов dhcp_request, чтобы получить IP-адрес. Протокол DHCP работает поверх UDP, поэтому dhcp_request отправляет пакет, ждет ответа сервера и отправляет пакет повторно, если ответ не получил.

Добавим функцию ядра sleep_for — аналог sys_sleep. Функция засыпает на указанное число тиков таймера.

Не понял, почему на запросы DHCPDISCOVER драйвера DHCP-сервер не отвечает. Сервер отвечает на запросы другой ВМ с Gentoo в этой же сети. Собирал DHCPDISCOVER по аналогии с тем, что отправляет dhcpcd на Gentoo. Напишите в комментариях, что я делаю не так.

xv6-dhcp-request.pcapng

dhcp-request-gentoo-1.pcapng

А кроме того…

Сетевой адаптер ограничивает размер пакета, который способен передать. Сетевой адаптер способен делить пакеты на фрагменты, которые соблюдают ограничение MTU — Maximum Transfer Unit.

Сетевой адаптер способен считать и проверять контрольные суммы — это разгрузит центральный процессор.

Спецификация VirtIO расскажет, как включить эти опции адаптера.

Сокеты Беркли проедлагают набор функций для общения программ по сети. Функция socket создает объект ядра и возвращает файловый дескриптор, с которым программа работает вызовами recv и send — аналогами read и write. Глава 1 расскажет о файловых дескрипторах.

Мы работали с очередями split virtqueue. Теперь VirtIO предлагает новый формат — packed virtqueue. Код для packed virtqueue работает быстрее split virtqueue.

Очередь packed virtqueue разрешает и драйверу и устройству писать в массив дескрипторов. Драйвер и устройство больше не используют массивы available и used, когда передают друг другу буферы. Буфер packed virtqueue — массив элементов, а не элемент списка, как в split virtqueue. Код работает с непрерывным массивом быстрее, чем с односвязным списком.

Обработка прерываний расходует процессорное время впустую, когда драйвер реагирует на прерывание и обрабатывает один запрос, но за это время приходят и другие запросы. Драйвер лучше справится с лавиной запросов, если откликнется на прерывание, отключит прерывания и обработает доступные запросы, а после снова включит прерывания.

Ссылки

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/826500/

Драйвер Ethernet для xv6