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Linux串口上网的简单实现

来源： 作者： 时间：2007-06-05 Tag： 点击：
编写伪网络设备驱动程序

伪网络驱动程序和字符设备驱动程序一样，也必须初始化和注册。网络驱动需记录其发送和接收数据量的统计信息，所以我们定义一个记录这些信息的数据结构。 


struct ednet_priv {
#ifdef LINUX_24
    struct net_device_stats stats;
#else
    struct enet_statistics stats;
#endif
    struct sk_buff *skb;
    spinlock_t lock;
};

struct ednet_priv只有3个数据成员。Linux2.4.x 使用的网络数据状态统计结构是struct net_device_stats，而Linux 2.2.x则使用的是struct enet_statistics。同样，对控制网络接口设备的设备结构也有不同的定义：Linux2.4.x使用的是struct net_device，而Linux2.2.x却是struct device。 


#ifdef LINUX_24
struct net_device ednet_dev;
#else
struct device ednet_dev;
#endif

伪网络驱动程序的也需要初始化和注册。和字符设备的注册不同之处是，它使用的是register_netdev(net_device *) kernel API。 


int ednet_module_init(void)
{
    int err;
    strcpy(ednet_dev.name, "ed0");
    ednet_dev.init = ednet_init;
    if ( (err = register_netdev(&ednet_dev)) )
            printk("ednet: error %i registering pseudo network device \"%s\"\n",
                   err, ednet_dev.name);
        
    return err;
}

ednet_dev的name域是接口名，ednet_module_init()中赋予网络接口的名字为ed0，如果本网络设备被加载，使用ifconfig命令可以看到ed0。 


[root@localhost pku]# /sbin/ifconfig
ed0       Link encap:Ethernet  HWaddr 00:45:44:30:30:30
          inet addr:192.168.3.9  Bcast:192.168.3.255  Mask:255.255.255.0
          UP BROADCAST RUNNING NOARP MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:100
          RX bytes:0 (0.0 b)  TX bytes:0 (0.0 b)

我们看到我们的伪网络接口没有 Interrupt和Base address，这是因为这个伪网络接口不和硬件打交道，也没有分配中断号和IO基址。否则，如果你看一个实实在在的网络接口(如下面的eth1)，可以看到它的Interrupt号是11和IO Base address是0xa000。 


eth1      Link encap:Ethernet  HWaddr 50:78:4C:43:1D:01
          inet addr:192.168.21.202  Bcast:192.168.21.255  Mask:255.255.255.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:356523 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:266 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:100
          RX bytes:21542043 (20.5 Mb)  TX bytes:19510 (19.0 Kb)
          Interrupt:11 Base address:0xa000

ednet_dev的init域是一个函数指针，指向用户定义的ednet_init()例程。ednet_init()添充net_device结构，只有ednet_init()初始化成功后，系统才被加入到设备链表中。ednet_dev的初始化例程ednet_init()如下： 


#ifdef LINUX_24
int ednet_init(struct net_device *dev)
#else
int ednet_init(struct device *dev)
#endif
{  
    ether_setup(dev); 
    dev->open            = ednet_open;
    dev->stop            = ednet_release;
    dev->hard_start_xmit   = ednet_tx;
    dev->get_stats         = ednet_stats;
    dev->change_mtu      = ednet_change_mtu;  
#ifdef LINUX_24
    dev->hard_header      = ednet_header;
#endif
    dev->rebuild_header    = ednet_rebuild_header;
#ifdef LINUX_24
    dev->tx_timeout        = ednet_tx_timeout;
    dev->watchdog_timeo   = timeout;
#endif
    /* We do not need the ARP protocol. */
    dev->flags           |= IFF_NOARP;
#ifndef LINUX_20                        
    dev->hard_header_cache = NULL;      
#endif 
#ifdef LINUX_24                                 
    SET_MODULE_OWNER(dev);
#endif

    dev->priv = kmalloc(sizeof(struct ednet_priv), GFP_KERNEL);
    if (dev->priv == NULL)
        return -ENOMEM;
    memset(dev->priv, 0, sizeof(struct ednet_priv));
    spin_lock_init(& ((struct ednet_priv *) dev->priv)->lock);
    return 0;
}

ether_setup()填充一些以太网的缺省设置。dev->hard_header_cache=NULL表示不缓存向本网络接口回复的ARP网络数据包。 IFF_NOARP的标志设置表明本网络接口不使用ARP。ARP的主要功能是获得通信对方的网络接口的硬件地址，本文的伪网络接口的物理地址是程序中设定的伪物理地址，所以我们不需要ARP协议。SET_MODULE_OWNER(dev)这个宏是设置dev结构中owner域（定义为struct module *owner;），使得它指向本模块本身。与字符设备一样，本网络设备也需要定义在其上的操作例程。下面就对ednet_init()中用户定义的设备操作函数做进一步说明。整个伪网络设备操作调用结构如图6所示。


图 6

由图6我们看到，ednet_rx()并不是网络设备的一个操作，而是模块中的一个函数。在实际的网卡驱动程序中，当网卡确实接收到数据的时候，由网络中断唤醒等待接收数据的用户进程，也就是说，ednet_rx()应该由那个网络中断处理例程调用。我们这里并没有中断，所以字符设备的 device_write()可以看成是一个"中断例程"，也就是说，用户空间往字符写操作的时候，也就调用了网络设备的数据接收内核例程 ednet_rx()了。然后ednet_rx()会把原始的数据包发送到TCP/IP上层进行处理，这一切均依赖于内核API 函数netif_rx()。ednet_rx()就需要sk_buff数据结构(<linux/skbuff.h>中定义)，用来存放从网络接口接收到的原始网络数据，分配后的sk_buff结构将在TCP/IP协议栈上被释放掉。

下面介绍一下网络设备的主要操作例程ednet_open()、ednet_release()、ednet_tx ()、ednet_stats ()、ednet_change_mtu（）、ednet_header()。网络设备文件操作结构struct net_device(<linux/netdevice.h>中有定义)中定义了指向以上函数的函数指针的原形： 


ednet_open：   int  (*open)(struct net_device *dev);
	ednet_release：  int  (*stop)(struct net_device *dev);
	ednet_tx：     int  (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,struct net_device *dev);
ednet_stats：   struct net_device_stats* (*get_stats)(struct net_device *dev);
ednet_change_mtu：int	(*change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu);
	ednet_header：  int  (*hard_header) (struct sk_buff *skb,
						struct net_device *dev,
						unsigned short type,
						void *daddr,
						void *saddr,
						unsigned len);

操作int ednet_open(struct net_device *dev)的作用是打开伪网络接口设备，获得其需要的I/O端口、IRQ等，但是本网络接口不需要和实际硬件打交道，所以不需要自动获得或者赋予I/O端口值，也不需要IRQ中断号，唯一需要程序指定的是其伪硬件地址（这个硬件地址是"0ED000"，ifconfig可以看到其硬件地址是 00:45:44:30:30:30，struct net_device中的dev_addr域存放网络接口的物理地址。操作ednet_open()必须调用netif_start_queue()内核 API开启网络接口接收和发送数据队列。

当接口关闭的时候，int ednet_release(struct net_device *dev)例程被系统调用，在ednet_release()中调用netif_stop_queque()将停止接收和发送队列的工作。

伪网络设备驱动的传送例程int ednet_tx(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)将把要发送的网络数据包写入字符设备ed[ED_TX_DEVICE]。在发送完毕数据包的时候，dev_kfree_skb() Kernel API释放由上层协议栈分配的sk_buff数据块。伪网络接口在进行硬件传输的时候，需要为网络数据包打上时间戳。如果传送数据包的时候超时，将调用超时处理例程ednet_tx_timeout()超时处理例程。例程ednet_tx()调用真正的"硬件"传送例程ednet_hw_tx()在实际的网卡驱动程序中，就是真正向特定的网络硬件设备写数据的程序。我们看到，我们的"硬件"就是本文前面描述的字符设备，字符设备的操作例程. kernel_write()在ednet_hw_tx()将被调用。

如果我们希望使用ifconfig看到伪网络接口的统计信息，那么系统就调用 struct net_device_stats *ednet_stats(struct net_device *dev)。我们看到，网络接口的统计信息被放到设备的私有数据指针指向的内存。网络数据信息的统计结构被放在内核结构struct net_device_stats中。

在TCP会话中，也许要协商MTU的大小，int ednet_change_mtu(struct net_device *dev, int new_mtu)可以随时改变MTU的大小。比如在使用FTP协议的时候，在传送数据库的时候，MTU可能被协商为最大，以提高网络传送吞吐量。由于改变了MTU，存放网络数据的字符设备初始化分配的缓存区就要重新被分配，并把已经存放数据的旧的缓存区的内容拷贝到新的缓存区中，所以，当MTU改变大小的时候，那么就要使用kmalloc(new_mtu ,GFP_KERNEL)重新分配缓存区。读者可以根据自己的需要定义新的缓存区大小。kfree()是内核API，负责释放内核空间的内存，它的使用方法和用户空间的free()系统调用一致，这里就不列举ed_realloc()函数的源程序了。

IP数据包在被网络接口发送前，需要构建其以太网头信息int ednet_header(struct sk_buff *skb,struct net_device *dev,unsigned short type,void *daddr,void *saddr,unsigned int len)例程完成此功能，我们看到网络数据包的以太源、目的地址，都是从发送这个数据包的网络接口设备数据结构struct net_device中得到的。源地址和目的地址信息是从网络设备结构得到的。在编译本程序的时候，如果发现htons()这个函数没有定义，可以这样定义htons()为：#define htons(x) ((x>>8) | (x<<8)) 。

因为伪网络接口没有使用ARP获得硬件地址，所以我们可以把我们自己定义的伪硬件地址复制到数据包的以太网包头。Linux2.4.x使用设备方法hard_header()代替设备

方法rebuild_header()。Linux2.x使用的rebuild_header()例程在本文的附加源程序中，这里不再说明。

编写用户空间串口通信程序

控制串口的server应用程序完成非常简单的打包和拆包的工作，它没有差错控制，没有重发机制，在实际应用中，需要加上适当的控制协议。server创建的子进程负责从串口读取数据并把数据传送到receiving device /dev/ed_rec；父进程则负责从sending device /dev/ed_tx 读取需要发送的网络数据包，然后从串口发送出去。子进程和父进程都是用轮询方式读取和写入设备。Server的程序流图如图所示。


图 7

传送的frame按照SLIP定义的格式：数据的两头都是END字符（0300），如图8所示。


图 8

特殊控制字符的定义如下：


#define END              0300
#define ESC              0333
#define ESC_END         0334            
#define ESC_ESC         0335

如果打包前的数据中有END这个字符，那么使用ESC_END代替，如果发现有ESC这个字符，那么使用ESC_ESC字符替换。在Linux环境下，串口名从ttyS0开始依次是 ttyS1、ttyS2等。在本程序中，使用ttyS0作为通信串口。在打开ttyS0的时候，选项O_NOCTTY 表示不能把本串口当成控制终端，否则用户的键盘输入信息将影响程序的执行； O_NDELAY表示打开串口的时候，程序并不关心另一端的串口是否在使用中。在Linux中，打开串口设备和打开普通文件一样，使用的是open()系统调用。比如我么打开串口设备1也就是COM1，只需要： 


fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY );

打开的串口设备有很多设置选项。本文中使用int setup_com(int fd)设置。在系统头文件<termios.h>中定义了终端控制结构struct termios，tcgetattr()和tcsetattr()两个系统函数获得和设置这些属性。结构struct termios中的域描述的主要属性包括： 


c_cflag  ： 控制选项
c_lflag  ： 线选项
c_iflag  ： 输入选项
c_oflag  ：输出选项
c_cc    ：控制字符
c_ispeed ：输入数据波特率
c_ospeed ：输出数据波特率

如果要设置某个选项，那么就使用"|="运算，如果关闭某个选项就使用"&="和"~"运算。本文使用的各个选项的意义定义如下： 


c_cflag： CLOCAL 本地模式，不改变端口的所有者
         CREAD  表示使能数据接收器
         PARENB  表示偶校验
         PARODD 表示奇校验
CSTOPB  使用两个停止位
CSIZE    对数据的bit使用掩码
CS8      数据宽度是8bit
c_lflag：  ICANON 使能规范输入，否则使用原始数据（本文使用）
ECHO    回送(echo)输入数据
ECHOE   回送擦除字符
ISIG      使能SIGINTR，SIGSUSP， SIGDSUSP和 SIGQUIT 信号
c_iflag：  IXON     使能输出软件控制
         IXOFF    使能输入软件控制
         IXANY    允许任何字符再次开启数据流
         INLCR    把字符NL(0A)映射到CR(0D)
         IGNCR    忽略字符CR(0D)
       ICRNL    把CR(0D)映射成字符NR(0A)
    c_oflag： OPOST  输出后处理，如果不设置表示原始数据（本文使用原始数据） 
c_cc[VMIN]：  最少可读数据
c_cc[VTIME]： 等待数据时间(10秒的倍数)

根据以上设置的定义，串口端口设置函数setup_com()定义如下：


int setup_com(int fd){
    struct termios options; 
    tcgetattr(fd, &options);
    /* Set the baud rates to 38400...*/
    cfsetispeed(&options, B38400);
    cfsetospeed(&options, B38400);
    /* Enable the receiver and set local mode...*/
    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
    /* Set c_cflag options.*/
    options.c_cflag |= PARENB;
    options.c_cflag &= ~PARODD;
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;    
    /* Set c_iflag input options */
    options.c_iflag &=~(IXON | IXOFF | IXANY);
    options.c_iflag &=~(INLCR | IGNCR | ICRNL);
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    /* Set c_oflag output options */
    options.c_oflag &= ~OPOST;   
    /* Set the timeout options */
    options.c_cc[VMIN]  = 0;
    options.c_cc[VTIME] = 10;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);
    return 1;
}

两个打包和拆包函数和SLIP协议定义的一样，拆包函数和打包相反，这里不列举了。

小结

本文描述的是一个非常简单的串口上网程序，如果需要可靠的通信，增加吞吐量，可在用户空间添加适当的网络控制协议，也可增加数据压缩算法。

原文链接：http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-serialnet/index.html


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