uboot中的网络协议栈

网卡的驱动,对于上层协议来说,已经封装好了发送和接收数据的接口,那么上层协议栈只需要按照顺序调用对应的网卡驱动函数就可以进行网络数据的收发。

uboot中的协议栈相对来说比较简单,有以下几个特点:

  1. 传输层只支持UDP协议;
  2. 目前只支持ICMP、TFTP、NFS、DNS、DHCP、CDP、SNTP等几种协议;
  3. 网卡采用poll接收数据包,而不是中断方式;
  4. 数据包的发送和接收操作是串行操作,不支持并发。

1. 网络协议栈架构

下面是uboot网络协议栈的函数调用流程:

2. 通过DNS命令来解析一个数据包的收发流程

uboot中,所有的命令都用宏U_BOOT_CMD来定义, dns命令的定义如下:


426 U_BOOT_CMD( 
427     dns,    3,  1,  do_dns,
428     "lookup the IP of a hostname",
429     "hostname [envvar]"
430 );

当我们在uboot的命令终端输入命令dns后,命令解析函数就会调用dns执行函数do_dns()


389 int do_dns(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
390 {
 ……
406     if (strlen(argv[1]) >= 255) {
407         printf("dns error: hostname too long\n");
408         return 1;
409     }
410 
411     NetDNSResolve = argv[1];
412 
413     if (argc == 3)
414         NetDNSenvvar = argv[2];
415     else
416         NetDNSenvvar = NULL;
417 
418     if (NetLoop(DNS) < 0) {
419         printf("dns lookup of %s failed, check setup\n", argv[1]);
420         return 1;
421     }
422 
423     return 0;
424 }

406行 判断参数字符串长度,大于255非法 411行 参数1必须是要解析的主机,存储在NetDNSResolve 中 413~416行 保存dns命令的环境参数,该参数可以没有 418行 进入网络协议处理函数入口NetLoop(),并将对应的协议DNS传递给该函数

NetLoop()代码比较长,我们只分析其中比较重要的几段代码


 316 /**********************************************************************/
 317 /*
 318  *  Main network processing loop.
 319  */
 320 
 321 int NetLoop(enum proto_t protocol)
 322 {
 323     bd_t *bd = gd->bd;
 324     int ret = -1;
 …………
 352     NetInitLoop();
  …………
 367         switch (protocol) {
 368         case TFTPGET:
 369 #ifdef CONFIG_CMD_TFTPPUT
 370         case TFTPPUT:
 371 #endif
 372             /* always use ARP to get server ethernet address */
 373             TftpStart(protocol);
 374             break;
  …………
 426 #if defined(CONFIG_CMD_DNS)
 427         case DNS:
 428             DnsStart();
 429             break;
 430 #endif
 438     }
 …………
 461     for (;;) {
 462         WATCHDOG_RESET();
 463 #ifdef CONFIG_SHOW_ACTIVITY
 464         show_activity(1);
 465 #endif
 466         /*
 467          *  Check the ethernet for a new packet.  The ethernet
 468          *  receive routine will process it.
 469          */
 470         eth_rx();
 471 
 472         /*
 473          *  Abort if ctrl-c was pressed.
 474          */
 475         if (ctrlc()) {
 476             /* cancel any ARP that may not have completed */
 477             NetArpWaitPacketIP = 0;
 478 
 479             net_cleanup_loop();
 480             eth_halt();
 481             /* Invalidate the last protocol */
 482             eth_set_last_protocol(BOOTP);
 483 
 484             puts("\nAbort\n");
 485             /* include a debug print as well incase the debug
 486                messages are directed to stderr */
 487             debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- NetLoop Abort!\n");
 488             goto done;
 489         }
  …………
 522         switch (net_state) {
 523 
 524         case NETLOOP_RESTART:
 525             NetRestarted = 1;
 526             goto restart;
 527 
 528         case NETLOOP_SUCCESS:
 529             net_cleanup_loop();
 530             if (NetBootFileXferSize > 0) {
 531                 char buf[20];
 532                 printf("Bytes transferred = %ld (%lx hex)\n",
 533                     NetBootFileXferSize,
 534                     NetBootFileXferSize);
 535                 sprintf(buf, "%lX", NetBootFileXferSize);
 536                 setenv("filesize", buf);
 537 
 538                 sprintf(buf, "%lX", (unsigned long)load_addr);
 539                 setenv("fileaddr", buf);
 540             }
 541             if (protocol != NETCONS)
 542                 eth_halt();
 543             else
 544                 eth_halt_state_only();
 545 
 546             eth_set_last_protocol(protocol);
 547 
 548             ret = NetBootFileXferSize;
 549             debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- NetLoop Success!\n");
 550             goto done;
 551 
 552         case NETLOOP_FAIL:
 553             net_cleanup_loop();
 554             /* Invalidate the last protocol */
 555             eth_set_last_protocol(BOOTP);
 556             debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- NetLoop Fail!\n");
 557             goto done;
 558 
 559         case NETLOOP_CONTINUE:
 560             continue;
 561         }
 562     }
 563 
 564 done:
 565 #ifdef CONFIG_CMD_TFTPPUT
 566     /* Clear out the handlers */
 567     net_set_udp_handler(NULL);
 568     net_set_icmp_handler(NULL);
 569 #endif
 570     return ret;
 571 }

函数参数为DNS 352行 初始化网络信息,读取ipaddr、gatewayip、netmask、serverip、dnsip等环境变量的值并复制到对应的全局变量中


static void NetInitLoop(void)
{
 static int env_changed_id;
 int env_id = get_env_id();

 /* update only when the environment has changed */
 if (env_changed_id != env_id) {
  NetOurIP = getenv_IPaddr("ipaddr");
  NetOurGatewayIP = getenv_IPaddr("gatewayip");
  NetOurSubnetMask = getenv_IPaddr("netmask");
  NetServerIP = getenv_IPaddr("serverip");
  NetOurNativeVLAN = getenv_VLAN("nvlan");
  NetOurVLAN = getenv_VLAN("vlan");
#if defined(CONFIG_CMD_DNS)
  NetOurDNSIP = getenv_IPaddr("dnsip");
#endif
  env_changed_id = env_id;
 }
 memcpy(NetOurEther, eth_get_dev()->enetaddr, 6);

 return;
}

367行 对传入的参数做switch操作,不同的协议进入到不同的处理流程 428行 执行DnsStart(),


197 void
198 DnsStart(void)
199 {
200     debug("%s\n", __func__);
201 
202     NetSetTimeout(DNS_TIMEOUT, DnsTimeout);
203     net_set_udp_handler(DnsHandler);
204 
205     DnsSend();
206 } 

203行 函数net_set_udp_handler()主要将dns协议的回调函数DnsHandler()注册到udp协议的回调指针udp_packet_handler,


void net_set_udp_handler(rxhand_f *f)
{
 debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- NetLoop UDP handler set (%p)\n", f);
 if (f == NULL)
  udp_packet_handler = dummy_handler;//注册到udp协议回调函数指针
 else
  udp_packet_handler = f;
}

DnsStart()最终会调用函数DnsSend()发送dns协议数据包,该函数是根据dns协议填充udp数据包


 37 static void
 38 DnsSend(void)
 39 {
 40     struct header *header;
 41     int n, name_len;
 42     uchar *p, *pkt;
 43     const char *s;
 44     const char *name;
 45     enum dns_query_type qtype = DNS_A_RECORD;
 46 
 47     name = NetDNSResolve;
 48     pkt = p = (uchar *)(NetTxPacket + NetEthHdrSize() + IP_UDP_HDR_SIZE);
 49 
 50     /* Prepare DNS packet header */
 51     header           = (struct header *) pkt;
 52     header->tid      = 1;
 53     header->flags    = htons(0x100);    /* standard query */
 54     header->nqueries = htons(1);        /* Just one query */
 55     header->nanswers = 0;
 56     header->nauth    = 0;
 57     header->nother   = 0;
 58 
 59     /* Encode DNS name */
 60     name_len = strlen(name);
 61     p = (uchar *) &header->data;    /* For encoding host name into packet */
 62 
 63     do {
 64         s = strchr(name, '.');
 65         if (!s)
 66             s = name + name_len;
 67 
 68         n = s - name;           /* Chunk length */
 69         *p++ = n;           /* Copy length  */
 70         memcpy(p, name, n);     /* Copy chunk   */
 71         p += n;
 72 
 73         if (*s == '.')
 74             n++;
 75 
 76         name += n;
 77         name_len -= n;
 78     } while (*s != '\0');
 79 
 80     *p++ = 0;           /* Mark end of host name */
 81     *p++ = 0;           /* Some servers require double null */
 82     *p++ = (unsigned char) qtype;   /* Query Type */
 83 
 84     *p++ = 0;
 85     *p++ = 1;               /* Class: inet, 0x0001 */
 86 
 87     n = p - pkt;                /* Total packet length */
 88     debug("Packet size %d\n", n);
 89 
 90     DnsOurPort = random_port();
 91 
 92     NetSendUDPPacket(NetServerEther, NetOurDNSIP, DNS_SERVICE_PORT,
 93         DnsOurPort, n);
 94     debug("DNS packet sent\n");
 95 }

51~57行 根据dns协议填充dns协议头,数据帧首地址为NetTxPacket,此处通过指针pkt和p来填充dns数据帧 60~85行 根据协议格式要求填充要解析的host名字到数据包 87行 计算数据包长度 90行 产生一个随机的端口号 92~93行 调用udp协议的发送函数NetSendUDPPacket(),参数依次是:以太头信息,DNS服务器 ip地址,DNS服务器端口号,我们的dns服务端口号,数据包长度


 688 int NetSendUDPPacket(uchar *ether, IPaddr_t dest, int dport, int sport,
 689         int payload_len)
 690 {
 691     uchar *pkt;
 692     int eth_hdr_size;
 693     int pkt_hdr_size;
 694 
 695     /* make sure the NetTxPacket is initialized (NetInit() was called) */
 696     assert(NetTxPacket != NULL);
 697     if (NetTxPacket == NULL)
 698         return -1;
 699 
 700     /* convert to new style broadcast */
 701     if (dest == 0)
 702         dest = 0xFFFFFFFF;
 703 
 704     /* if broadcast, make the ether address a broadcast and don't do ARP */
 705     if (dest == 0xFFFFFFFF)
 706         ether = NetBcastAddr;
 707 
 708     pkt = (uchar *)NetTxPacket;
 709 
 710     eth_hdr_size = NetSetEther(pkt, ether, PROT_IP);
 711     pkt += eth_hdr_size;
 712     net_set_udp_header(pkt, dest, dport, sport, payload_len);
 713     pkt_hdr_size = eth_hdr_size + IP_UDP_HDR_SIZE;
 714 
 715     /* if MAC address was not discovered yet, do an ARP request */
 716     if (memcmp(ether, NetEtherNullAddr, 6) == 0) {
 717         debug_cond(DEBUG_DEV_PKT, "sending ARP for %pI4\n", &dest);
 718 
 719         /* save the ip and eth addr for the packet to send after arp */
 720         NetArpWaitPacketIP = dest;
 721         NetArpWaitPacketMAC = ether;
 722 
 723         /* size of the waiting packet */
 724         NetArpWaitTxPacketSize = pkt_hdr_size + payload_len;
 725 
 726         /* and do the ARP request */
 727         NetArpWaitTry = 1;
 728         NetArpWaitTimerStart = get_timer(0);
 729         ArpRequest();
 730         return 1;   /* waiting */
 731     } else {
 732         debug_cond(DEBUG_DEV_PKT, "sending UDP to %pI4/%pM\n",                                                                               
 733             &dest, ether);
 734         NetSendPacket(NetTxPacket, pkt_hdr_size + payload_len);
 735         return 0;   /* transmitted */
 736     }
 737 }

696~706行 参数检查 710行 设置以太头 713行 设置udp协议头 716~730行 如果没有目的MAC地址,就要先发送ARP请求 734行 调用函数NetSendPacket(),参数分别是:要发送数据帧的首地址,数据包长度


529 /* Transmit a packet */  
530 static inline void NetSendPacket(uchar *pkt, int len)
531 {
532     (void) eth_send(pkt, len);
533 }

532行 调用我们注册的函数dm9000_send() 该函数已经分析过,根据流程图,回到函数NetLoop()

461~562行 循环接收网络数据包 470行 调用网卡驱动接收函数eth_rx()


int eth_rx(void)
{
 if (!eth_current)
  return -1;

 return eth_current->recv(eth_current);
}

eth_current->recv(eth_current)函数就是我们注册的网卡的接收函数dm9000_rx(),该函数我们上一章已经分析过,最终通过调用函数NetReceive(),将数据帧上传到协议栈


 943 void
 944 NetReceive(uchar *inpkt, int len)
 945 {
 946     struct ethernet_hdr *et;
 947     struct ip_udp_hdr *ip;
 948     IPaddr_t dst_ip;
 949     IPaddr_t src_ip;
 950     int eth_proto;
 ……
 957 
 958     NetRxPacket = inpkt;
 959     NetRxPacketLen = len;
 960     et = (struct ethernet_hdr *)inpkt;
 961 
 962     /* too small packet? */
 963     if (len < ETHER_HDR_SIZE)
 964         return;
 965 
 ……
 984 
 985     eth_proto = ntohs(et->et_protlen);
 986 
 987     if (eth_proto < 1514) {
 988         struct e802_hdr *et802 = (struct e802_hdr *)et;
  ……
 997 
 998     } else if (eth_proto != PROT_VLAN) {    /* normal packet */
 999         ip = (struct ip_udp_hdr *)(inpkt + ETHER_HDR_SIZE);
1000         len -= ETHER_HDR_SIZE;
1001 
1002     } else {            /* VLAN packet */
 ……
1026     }
1027 
 …… 
1045     switch (eth_proto) {
 ……
1056     case PROT_IP:
1057         debug_cond(DEBUG_NET_PKT, "Got IP\n");
1058         /* Before we start poking the header, make sure it is there */
1059         if (len < IP_UDP_HDR_SIZE) {
1060             debug("len bad %d < %lu\n", len,
1061                 (ulong)IP_UDP_HDR_SIZE);
1062             return;
1063         }
1064         /* Check the packet length */
1065         if (len < ntohs(ip->ip_len)) {
1066             debug("len bad %d < %d\n", len, ntohs(ip->ip_len));
1067             return;
1068         }
1069         len = ntohs(ip->ip_len);
1070         debug_cond(DEBUG_NET_PKT, "len=%d, v=%02x\n",
1071             len, ip->ip_hl_v & 0xff);
1072 
1073         /* Can't deal with anything except IPv4 */
1074         if ((ip->ip_hl_v & 0xf0) != 0x40)
1075             return;
1076         /* Can't deal with IP options (headers != 20 bytes) */
1077         if ((ip->ip_hl_v & 0x0f) > 0x05)
1078             return;
1079         /* Check the Checksum of the header */
1080         if (!NetCksumOk((uchar *)ip, IP_HDR_SIZE / 2)) {
1081             debug("checksum bad\n");
1082             return;
1083         }
1084         /* If it is not for us, ignore it */
1085         dst_ip = NetReadIP(&ip->ip_dst);

1092         /* Read source IP address for later use */
1093         src_ip = NetReadIP(&ip->ip_src);


1184         /*
1185          *  IP header OK.  Pass the packet to the current handler.
1186          */
1187         (*udp_packet_handler)((uchar *)ip + IP_UDP_HDR_SIZE,
1188                 ntohs(ip->udp_dst),
1189                 src_ip,
1190                 ntohs(ip->udp_src),
1191                 ntohs(ip->udp_len) - UDP_HDR_SIZE);
1192         break;
1193     }
1194 }

参数inpkt:指向接收到的以太数据包头 len:接收到的数据包的长度 960行 变量NetRxPacket指向接收的数据头,以太数据包包头比定位以太协议头 985行 从以太协议头提取出协议字段,该字段表示后面是否是ip协议 999行 解析出ip协议头 1045行 根据以太头协议进行switch操作 1059~1083行 对协议头进行合法性检查 1085行 读取出目的ip地址 1093行 读取出源ip地址, 1187行 ip协议头解析成功,调用udp协议回调函数udp_packet_handler(),该函数在之前的DnStart()注册了DnsHandler


104 static void
105 DnsHandler(uchar *pkt, unsigned dest, IPaddr_t sip, unsigned src, unsigned len)
106 {
193 
194     net_set_state(NETLOOP_SUCCESS);
195 }

该函数用于解析DNS协议,在此不再详解 解析成功后194行,会设置当前执行状态为NETLOOP_SUCCESS, 代码回到函数NetLoop()470行 475行 判断是否按下ctrl+c快捷键,并作出操作 522~562行 对执行结果进行处理,计入统计信息 564行 如果net_state为NETLOOP_SUCCESS、NETLOOP_FAIL最终都会进入done,从而置空udp回调函数 如果net_state为NETLOOP_CONTINUE,表明仍然有后续数据包要接收,则回到461行,继续下一个数据包的接收

至此DNS协议的处理流程分析完毕,大家可以根据这个流程自行分析其他几个协议的处理流程。


容易遇到的问题

有的时候能读取到 DM9000A 的 ID,连续操作就能读取到 DM9000A 的 ID,但间隔一会操作就读取不到 DM9000A 的 ID,通过调试,在 dm9000_reset 函数中加一句延时操作,就可以正常读取 DM9000A 的 ID 了。


277     do {
278         DM9000_DBG("resetting the DM9000, 2nd reset\n");
279         udelay(25); /* Wait at least 20 us */
280     } while (DM9000_ior(DM9000_NCR) & 1);
281     udelay(150);
282     /* Check whether the ethernet controller is present */
283     if ((DM9000_ior(DM9000_PIDL) != 0x0) ||
284         (DM9000_ior(DM9000_PIDH) != 0x90))
285         printf("ERROR: resetting DM9000 -> not responding\n");
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