MIT6.S081 network lab

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发布于：Jan 1, 2022

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networking

编写一个xv6设备驱动程序，驱动网卡

Background

参考书Chapter5 中断和设备驱动

你会使用一个叫作e1000的网络设备来处理网络通信。qemu虚拟化e1000，e1000就相当于现实中真正链接网络的网卡设备。

xv6的ip地址为10.0.2.15。qemu会让宿主机(the computer running qemu)的ip地址为10.0.2.2。qemu会将网络数据包传递给宿主机。

你将使用qemu的”user-mode network stack”。具体可查看qemu的文档。makefile已经起用了e1000网卡和”user-mode network stack”。

makefile配置qemu，让他记录所有网络包输入输出到packets.pcap文件中。可以通过查看此文件来调试。

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tcpdump -XXnr packets.pcap

kernel/e1000.c包含了e1000的初始化代码和传送网络包的空函数，你将要实现这些空函数。kernel/e1000_dev.h定义了e1000的寄存器和标志位，具体根据e1000手册。kernel/net.c和kernel/net.h包含了实现了IP, UDP和ARP的简单的网络协议栈。这些文件同样使用固定大小的数据结构来保存网络包(mbuf)。最后kernel/pci.c包含xv6启动时在pci总线上寻找e1000设备的代码。

Your Job

完成kernel/e1000.c中的e1000_transmit()和e1000_recv()让驱动可以传输网络包

具体问题可以查看e1000手册。下面一些章节可能会比较有用

• Section2 是必须的，会给overview
• Section3.2 包接收
• Section3.3和Section3.4 包传输
• Section13 e1000使用的寄存器
• Section14 帮助理解初始化代码

阅读e1000手册，你需要熟悉Chapter 3, 4.1和14(可以先跳过2)。还会需要参考Chapter13。不需要关注太多细节，只需要实现基础功能。

e1000.c:e1000_init()函数配置e1000设备从ram中读写网络包。因为用了DMA。

因为数据包的达到速度可能会大于处理速度，e1000_init()供多个缓存让e1000设备使用。

The E1000 requires these buffers to be described by an array of “descriptors” in RAM; each descriptor contains an address in RAM where the E1000 can write a received packet.

e1000将缓冲区组织成”descriptor数组”，e1000将向descriptor中的地址收发数据。

struct rx_desc描述了descriptor的格式，descriptor数组是环形组织的(循环数组)。e1000_init()会创建mbuf数据包缓冲区。另外还有一个传输环(transmit ring)，驱动将想要e1000发送的数据包放入。e1000_init()配置这两个环的大小分别文RX_RING_SIZE, TX_RING_SIZE

• 接收环
• 发送环

网络协议栈位于net.c，发包使用e1000_transmit()和mbuf中的数据包。你的实现必须使用一个数据包指针，指向传输环(transmit ring)的descriptor中的数据。struct tx_desc定义了结构。你需要保证每个mbuf当e1000完成数据包传输后(e1000会将descriptor的E1000_TXD_STAT_DD位置位)最终会被释放。

• 传输完成E1000_TXD_STAT_DD置位

当e1000接收到网络数据包，它首先会用DMA将数据包传输到mbuf的”next RX(receive) ring descriptor”，然后产生中断。你的e1000_recv()实现需要扫描RX ring然后将mbuf中新的数据包使用net.c:net_rx()发送给网络协议栈。然后你需要申请新的mbuf然后放入descriptor，为下次dma做准备。

• net.c:net_rx()发数据包给协议栈

除了要读写descriptor ring外，你的驱动还需要通过e1000映射到内存的控制器与e1000交互。以便检测是否由新数据包和通知e1000发送。全局变量regs保存了指向e1000第一个控制器的指针(数组)，你的驱动可以索引该数组访问到其他控制器。你将使用E1000_RDT和E1000_TDT

• 与内存中的控制器交互
  • E1000_RDT, E1000_TDT

测试: 一个窗口中make server，另一个窗口make qemu和$ nettests。nettests的第一个测试会尝试发送UDP数据包给宿主机。如果实验完成，make server会发送响应。

hints

在e1000_transmit()和e1000_recv()中添加打印

实现e1000_transmit

TODO整理整个流程

• 读取E1000_TDT寄存器，向e1000寻找它希望的next packet的TX ring索引
• 检查ring是否溢出。如果E1000_TDT索引的descriptor status的E1000_TXD_STAT_DD没有置位，说明e1000没有完成响应传输请求，返回错误
• 否则，使用mbuffree()释放从descriptor传输来的最后一个mbuf(如果存在的话)
• 之后填充descriptor
  • m->head指向内存中的数据包
  • m->len表示数据包的长度
  • 设置必要的cmd标志位(查看手册Section 3.3)
  • 然后stash away a pointer to the mbuf for later freeing。保存一个mbuf指针，方便之后释放
• 最后更新ring的位置使用(1 + E1000_TDT) % TX_RING_SIZE
• 如果e1000_transmit()成功向ring添加mbuf则返回0。失败返回-1，然后调用者释放mbuf

实现e1000_recv的提示

• 找到ring中待接收的包(the next waiting received)的位置：使用(E1000_RDT + 1)%TX_RING_SIZE, 注意是加1取模
• 查看对应descriptor的状态: 检测status成员的E1000_RXD_STAT_DD位检查新数据包是否就绪，如果没就绪则停止
• 否则更新mbuf的m->len为descriptor的记录的长度。使用net_rx()传递mbuf给网络协议栈处理
• 之后使用mbufalloc()申请新的mbuf来替换刚刚传递给net_rx()的旧mbuf
  • 初始化新mbuf: 将新mbuf的数据(m->head)指向descriptor记录的的addr，然后清除descriptor的状态位为0
• 最后更新E1000_RDT寄存器为ring中最后处理的descriptor
• e1000_init()使用mbuf初始化RX ring，你可以参考它是怎么做的
• 会出现到达的包的数量超过ring的大小的情况，需要注意处理

因为xv6会存在多个线程使用e1000的情况，需要注意加锁。或者也可以在内核线程中处理使用e1000并处理中断。

result

机制小论文

• 需要熟悉基本框架
• 了解DMA工作
  • 描述符(descriptor)和具体接收数据的地方
• 这个实验需要了解的东西比较多，但是跟着hint做就行
• mbuf index and descriptor index
• ring buffer的巧妙地方
  • 如transmit中用完当前mbuf后，指向下一个mbuf。当获取的mbuf非空时，说明就是上一次使用的mbuf，这时应该页过了一段时间了，缓存也够久了，再释放就能用了
  • 即头遇到尾了就释放过期数据。E1000_TDT TX Descripotr Tail
• 机制
  • 使用ring buffer
  • 设备的缓冲区, 如果tx_mbufs，设备接收到的数据放入其中
  • descriptor和mbuf一一对应，使用同样的index，难道设计就是”descriptor of mbuf?”
    • 即desc对应全局的tx_mbufs和rx_mbufs怎么用
• data are stored in buffers pointed by descriptor
• DNS测试可能需要科学上网，不过可以修改nettests的dst