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MIT6.S081 Lab Networking

发表于 更新于 分类于 阅读次数： Valine：

开始日期：22.5.15

操作系统：Ubuntu20.0.4

Link：Lab Networking

my github repository: duilec/MITS6.081-fall2021/tree/net

Lab Networking

写在前面

本次实验看起来比较唬人，文档、字都很多，但实际的coding并不难，本次的hints就是伪代码级别的，完全可以按着来写。难点应该在于理解整个收发包（recevice/transmit packet）的过程：
即为了完成收发包的过程，cpu、网卡（ethernet）、RAM（buffer的存放处）这三者是如何通过xv6操作系统进行交互呢？
为了完成理解，笔者参考了不少博客。

实验内容

概述

xv6得依靠network stack（网络栈）实现收发数据，即通过network stack收发packet。

发包：

当network stackk需要发送一个packet的时候，会先将这个packet存放到发送环形缓冲区tx_ring，最后通过网卡将这个packet发送出去。
（每次发送packet前都需要检查一下上一次的packet发送完没，如果发送完了，要将其的释放掉）

收包：

当网卡需要接收packet的时候，网卡会直接访问内存（DMA），先将接受到的RAM的数据（即packet的内容）写入到接收环形缓冲区rx_ring中。接着，网卡会向cpu发出一个硬件中断，当cpu接受到硬件中断后，cpu就可以从接收环形缓冲区rx_ring中读取packet传递到network stack中了（net_rx()）。
（网卡会一次性接收全部的packets，即接收到rx_ring溢出为止）

《操作系统及其应用》王红 第1版
p173 （4）输入完成时，DMA控制器发出中断信号，CPU响应后进行相应的中断处理
这说明硬件中断是有可能由DMA控制器发出的，而不一定是I/O设备网卡(22.5.19)

e1000_transmit

这里有三个问题需要解决：

为什么要用锁？何时释放tx_mbufs[tx_index]？cmd的flag该如何设置？

  • 因为会有多线程测试，可能会出现多个线程会访问同一个mbuf的情况，导致竞争出错

  • 获取锁之后，如果该索引能被访问，就要将原有的（上一次的）mbuf其释放掉，以便装入新的mbuf

    You will need to ensure that each mbuf is eventually freed, but only after the E1000 has finished transmitting the packet

  • 参考e1000_dev.h，cmd实际是有8个标志位，但只提供了两个标志位，我们可以大胆猜测只用设置这两个

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    /* Transmit Descriptor command definitions [E1000 3.3.3.1] */
    #define E1000_TXD_CMD_EOP    0x01 /* End of Packet */
    #define E1000_TXD_CMD_RS     0x08 /* Report Status */

    实际上我们可以对应查找文档：

    P39 The transmit descriptor status field is only present in cases where RS (or RPS for the 82544GC/EIonly) is set in the command field.

    因为我们要使用tx_ring[tx_index].status来检查该tx_mbufs[tx_index]是否可以被使用，使用要用到标志位E1000_TXD_CMD_RS。

    P39 When set, indicates the last descriptor making up the packet. One or many descriptors can be used to form a packet.

    因为我们是按packet的形式传递数据的，所以要设置E1000_TXD_CMD_ECP，来标志一个packet结束了。

参考代码：

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int
e1000_transmit(struct mbuf *m)
{
  //
  // Your code here.
  //
  // the mbuf contains an ethernet frame; program it into
  // the TX descriptor ring so that the e1000 sends it. Stash
  // a pointer so that it can be freed after sending.
  //
  acquire(&e1000_lock);
	
  // get the current index
  uint32 tx_index = regs[E1000_TDT];

  // check status
  if ((tx_ring[tx_index].status & E1000_TXD_STAT_DD) == 0){
    release(&e1000_lock);
    return -1;
  }
  
  // free the last mbuf  
  if (tx_mbufs[tx_index]){
    mbuffree(tx_mbufs[tx_index]);
  }
  
  // sent mbuf
  tx_mbufs[tx_index] = m;  
  tx_ring[tx_index].addr = (uint64)m->head;
  tx_ring[tx_index].length = m->len;
  tx_ring[tx_index].cmd = E1000_TXD_CMD_EOP | E1000_TXD_CMD_RS; 
  
  // set the next index of mbuf
  regs[E1000_TDT] = (tx_index + 1) % TX_RING_SIZE;

  release(&e1000_lock);

  return 0;
}

e1000_recv

这里也有三个问题需要解决：

为什么获取的索引是下一个等待被接收的索引，而不是当前索引？
为什么不用锁？为什么要接受全部packet直到溢出？

  • 因为当前索引在前一次的recv过程中已经被传递（line 21~22），重新分配并清空了（line 25~27）
    • 重新分配并清空，是为下一次RAM的数据写入做准备
  • 后两个问题其实可以看作一个问题同时解答，因为recv过程发生在OSI协议的数据链路层，而在这个层次的packet接收是不区分进程。既然不区分进程接收，自然就可以一直接收，直到不能再接收为止（溢出）。

参考代码：

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static void
e1000_recv(void)
{
  //
  // Your code here.
  //
  // Check for packets that have arrived from the e1000
  // Create and deliver an mbuf for each packet (using net_rx()).
  //

  while (1) {
  	// get next index
    uint32 rx_index = (regs[E1000_RDT] + 1) % RX_RING_SIZE;
    
		// check status, if not set we will return 
    if ((rx_ring[rx_index].status & E1000_RXD_STAT_DD) == 0)
      return ;
    
    // deliver to network stack
    rx_mbufs[rx_index]->len = rx_ring[rx_index].length;
    net_rx(rx_mbufs[rx_index]);
		
    // alloc a new mbuf and fill a new descriptor  
    rx_mbufs[rx_index] = mbufalloc(0);
    rx_ring[rx_index].addr = (uint64)rx_mbufs[rx_index]->head;
    rx_ring[rx_index].status = 0;
		
    // as current index
    regs[E1000_RDT] = rx_index; 
  }
}

总结

  • 完成日期：22.5.16
  • 一开始我就猜测要使用循环，但没看到hints里有具体提出就没有实现，嗯，以后要相信自己的直觉
  • e1000_recv的实现过程中有一句：重新分配一个新的mbuf，我理解出错，去重新创建了一个新的mbuf，根本上是因为我没理解到rx_ring是被循环使用的，这个循环数组一直是用来写入，传递packet的
  • 对于网络协议层的代码其实我并不熟悉，也就只有基础的理论知识而已，后续得安排课程
  • 最近在听《任我行》陈奕迅