Mit6.S081-实验11-networking

发布于:2021-11-27 06:20:46



Mit6.S081-实验11-networking
一、实验准备二、networking1,背景2,你的工作3,提示4,具体实现5,测试效果



一、实验准备

在本实验中你将为网络接口卡(network interface card)写一个xv6设备驱动。
获取本实验xv6源码,并检出net分支:
git fetch、git checkout net、make clean

二、networking
1,背景

在写代码前,你会发现:重温xv6 book的“第五章:中断和设备驱动”是有帮助的。
你将用一个被称作E1000的网络设备来处理网络通信。
对xv6以及你写的驱动来说,E1000就像一个真正的硬件(连接到真实以太网本地局域网Ethernet Local Area Net)。
事实上,你的驱动将要通讯的E1000是由qemu仿真的,它连接到LAN上也是qemu仿真的。
在这个仿真的LAN上,xv6(the guest)有一个IP地址10.0.2.15。
qemu也安排一个IP为10.0.2.2、运行qemu的计算机出现在LAN中。
当xv6使用E1000发送一个包到10.0.2.2,qemu将包传递到对应计算机(正在运行qemu,the host)应用上。
你将使用qemu的“用户模式网络栈”(user-mode network stack)。

qemu的文档有更多有关用户模式栈的细节。地址。


我们已经更新Makefile来启用qemu的用户模式网络栈,以及E1000网卡。
Makefile配置qemu记录所有输入、输出包到文件packets.cap到你的实验目录。
翻看这些记录,对于确认xv6正在传递、接收的包是你期望的,有帮助。展示记录的包:
tcpdump -XXnr packets.pcap
我们已经添加许多文件到这个实验的xv6仓库。
文件kernel/e1000.c包含E1000的初始化代码,以及传递、接收包的空函数(你需要填充)。

kernel/e1000_dev.h包含寄存器定义、E1000定义的标志位(在因特尔E1000软件开发手册)。


kernel/net.c和kernel/net.h包含一个简单的网络栈(实现了IP/UDP/ARP协议)。
这些文件也包含灵活数据结构代码(承载有包),称作mbuf。
最终,kernel/pci.c包含代码:当xv6启动时,在PCI总线上查找E1000卡。

2,你的工作

你的工作是完成e1000_transmit()和e1000_recv(),都在kernel/e1000.c,以便于驱动可以传递、接收包。
当make grade提示你的方案通过所有测试时,就做对了。

当写代码时,你会参考E1000软件开发手册。下面章节可能会有帮助。


段2是特别重要的,给你整个设备的概览。
段3.2给出一个包接收的概览。
段3.3给出一个包传递的概览。
段13给出E1000使用寄存器的概览。
段14可以帮你理解我们提供的初始代码。

浏览E1000软件开发手册。


这个手册包含几个与以太网十分相关的控制器。
qemu模拟82540EM。
浏览第二章了解设备。
写驱动,你将需要熟悉第3、14章,以及4.1(并非4.1的子小节)。
你将也需要使用章节13作为参考。
其他章节包含了你的驱动无需交互的E1000组件。
开始不用担心细节;只是了解文档结构,以便于之后可以找到。
E1000有一些高级特性,绝大多数可以忽略。仅小部分基础特性需要用来完成本实验。
e1000.c中提供给你的e1000_init()函数,配置E1000从RAM读取将要被传递的包,写接收到的包到RAM。
这个技术称为DMA,直接内存访问,参考事实:E1000硬件直接从RAM写、读包。
因为bursts of packets可能会比驱动处理速度快,e1000_init()给E1000提供多个buffers,E1000可以把包写到buffers。
E1000需要的这些buffers被描述为RAM中的一组描述符;
每个描述符包含一个RAM中的地址,E1000可以把接收到的包写到其中。
struct rx_desc描述 描述符 格式。
描述符数组被称为接收环或接受队列。这是一个环形:卡或驱动到达数组底部时,它转到起始处。
e1000_init()用mbufalloc()为E1000分配mbuf包buffers,用于DMA。
也有一个传递环,驱动把需要E1000发送的包放到里面。
e1000_init()配置两个环的尺寸为RX_RING_SIZE和TX_RING_SIZE。
当net.c中的网络栈需要发送一个包时,调用e1000_transmit(),用一个mbuf(持有要发送的包)。
你的传递代码必须放置一个指针(指向包数据)到TX(transmit)环。
struct tx_desc描述 描述符格式。
你将需要确保每个mbuf最终被释放,仅在E1000结束传递包之后(E1000在描述符中设置E1000_TXD_STAT_DD位表示)。
当E1000接收来自以太网的每个包时,它首先DMA包到mbuf(被下个RX ring 描述符指向),然后生成一个中断。
你的e1000_recv()代码必须扫描RX ring,并调用net_rx()传递每个新包的mbuf到网络栈(in net.c)。
你将需要分配一个新mbuf,并放置它到描述符,因此当E1000再次到达RX环中该点时,它就会找到一个新的buffer,DMA一个新的包到该buffer。
除了读写RAM中的描述符环之外,你的驱动将需要与E1000内存映射控制寄存器交互,来检测何时接收到的数据包可用,并通知E1000:驱动已经用要发送的包填充到一些TX描述符。
全局变量regs持有一个指针(指向E1000的第一个控制寄存器);你的驱动可以通过像数组一样索引regs获取其他寄存器。
你将需要特别使用索引E1000_RDT和E1000_TDT。
为了测试你的驱动,在一个窗口中执行make server,另外一个窗口执行make qemu,然后在xv6执行nettests。
nettests的首个测试尝试发送一个UDP包到host操作系统,发送到make server执行的程序。
如果你没有完成实验,E1000驱动将不会真正发送包,且什么也不会发生。
当你完成本实验之后,E1000驱动将发送包,qemu将传递它到你的host电脑,make server将看到它,它将发送一个响应包,然后到E1000驱动,然后nettests将看到响应包。
在host发送回复前,它发送一个ARP请求包给xv6来找到它的48位以太网地址,期望xv6对ARP做出响应。
一旦你已经完成E1000驱动的工作,kernel/net.c将处理这。
如果一切正常,nettests将打印testing ping: OK,make server将打印 a message from xv6!。
tcpdump -XXnr packets.pcap应该产生起始如下的输出:

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!

你的输出将看起来有点不同,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,最终是一个DNS请求(通过真正的互联网发送到谷歌的一个名称服务器)。
你应该确认你的代码通过所有这些测试,之后你将看到这个输出:

$ 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.

你该确保make grade让你的方案通过。

3,提示

开始时,添加打印语句到e1000_transmit()和e1000_recv(),执行make server和nettests。
你该从你的打印语句中看到:nettests生成一个对e1000_transmit的调用。
一些实现e1000_transmit的提示:
(1)首先向E1000索要TX环索引,在该索引上期待下个包,通过读E1000_TDT控制寄存器。
(2)检测环是否溢出。如果E1000_TXD_STAT_DD没有设置在由E1000_TDT索引的描述符上,那么E1000没有结束之前的传递请求,因此返回一个错误。
(3)另外,使用mbuffree()来释放最后的mbuf(从那个描述符被传递)。
(4)填充描述符。m->head指向内存中包的内容,m->len为包的长度。设置必要的cmd标志位(看E1000手册中的section 3.3),暂存一个指针指向mbuf为了之后释放。
(5)最终,通过加1到E1000_TDT,对TX_RING_SIZE取模运算,更新环位置。
(6)如果e1000_transmit()成功地添加mbuf到环,返回0。失败(没有描述符可用于传递mbuf),返回-1,因此调用者知道释放该mbuf。
一些实现e1000_recv的提示:
(1)首先向E1000索要环索引,下个等待接收的包位于该索引,通过获取E1000_RDT控制寄存器的值,加1对RX_RING_SIZE取模。
(2)通过检查描述符中status部分的E1000_RXD_STAT_DD位,检查是否新包可用。如果不可用,停止。
(3)更新mbuf的m->len到描述符中的length。使用net_rx()传递mbuf到网络栈。
(4)使用mbufalloc()分配一个新mbuf来取代刚刚分配过的,分配给net_rx()。让它的数据指针(m->head)放到描述符。清除描述符的状态位为0。
(5)最终,更新E1000_RDT寄存器为环描述符最后处理的索引。
(6)e1000_init()用mbufs初始化RX环,你将需要了解他是如何做到这一点的,也许还需要借用代码。
(7)在一些点,已到达的包总数将超出环尺寸(16);确保你的代码可用处理。
你将需要锁来处理这种可能:xv6可能不止一个进程使用E1000,也可能是:中断发生时正在内核线程中使用E1000。

4,具体实现

1)修改kernel/e1000.c,实现e1000_transmit和e1000_recv。


5,测试效果

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