【MTI 6.S081 Lab】networking
- Backgroud
- Your Job (hard)
- 实验任务
- 解决方案
这个实验中，在dns解析时，去请求其dns服务器失败，所以将nettest中的dns服务器改为我自己的。修改的位置大概在nettest.c的235行。
这个实验的设备的具体使用就没去看了，因为我的背景是电子信息工程，玩过51和32，当年也看过很多可编程芯片的数据手册。对很多外设的操作是比较熟悉的，就命令字，然后数据字，都类似，所以就没去看文档了，所有命令字网上的答案中找的。整个实验差不多也是网上答案，把它看懂改了错。
// // 8.8.8.8: google's name server
// dst = (8 << 24) | (8 << 16) | (8 << 8) | (8 << 0);
// 127.0.0.53 是在我的机器上运行nslookup baidu.com 出现的dns服务器地址
dst = (127 << 24) | 53;
在这个实验室中，您将为网络接口卡（NIC）编写一个xv6设备驱动程序。
Backgroud
在写代码前，复习"Chapter 5: Interrupts and device drivers"会是很有帮助的。
您将使用一种名为E1000的网络设备来处理网络通信。对于xv6（以及您编写的驱动程序）来说，E1000看起来像是连接到真正的以太网局域网（LAN）的一块真正的硬件。事实上，您的驱动程序将与之交谈的E1000是由qemu提供的模拟，它连接到一个局域网，该局域网也由qemu模拟。在这个模拟局域网上，xv6（“guest”）的IP地址为10.0.12.15。Qemu还安排运行Qemu的计算机出现在IP地址为10.0.2.2的局域网上。当xv6使用E1000向10.0.2.2发送数据包时，qemu会将数据包传递到运行qemu的（实际）计算机（“host”）上的相应应用程序。
您将使用QEMU的“用户模式网络堆栈”（user-mode network stack）。QEMU的文档中有更多关于用户模式堆栈的内容。我们已经更新了Makefile，以启用QEMU的用户模式网络堆栈和E1000网卡。
Makefile将QEMU配置为将所有传入和传出的数据包记录到实验目录中的packets.pcap文件中。查看这些记录以确认xv6正在发送和接收您期望的数据包可能会有所帮助。要显示记录的数据包：
tcpdump -XXnr packets.pcap
我们已经为该实验的xv6存储库添加了一些文件。文件kernel/e1000.c包含e1000的初始化代码以及用于发送和接收数据包的空函数，您将填写这些代码。kernel/e000_dev.h包含e1000定义的寄存器和标志位的定义，如Intel E1000 Software Developer’s Manual中所述。kernel/net.c和kernel/ne.h包含一个简单的网络堆栈，用于实现 IP, UDP, and ARP协议。这些文件还包含用于保存数据包的灵活数据结构的代码，称为mbuf。最后，kernel/pci.c包含在xv6启动时在pci总线上搜索E1000卡的代码。
Your Job (hard)
实验任务
你的工作是完成在kernel/e1000.c中的两个函数e1000_transmit()和e1000_recv()，以便于驱动能发送和接收包。当make grade说你的解决方案通过了所有的测试你就完成了这个工作。
当你写代码时，你将发现阅读 E1000 Software Developer’s Manual会是很有用的。以下几节可能是特别有帮助的：
- 第2节非常重要，它概述了整个设备。
- 第3.2节概述了数据包接收。
- 第3.3节与第3.4节一起概述了分组传输。
- 第13节概述了E1000使用的寄存器。
- 第14节可能会帮助您理解我们提供的init代码。
浏览E1000 Software Developer’s Manual。本手册涵盖了几个密切相关的以太网控制器。QEMU模拟82540EM。现在浏览第 2 章来感受一下该设备。 要编写驱动程序，您需要熟悉第 3 章和第 14 章以及 4.1（尽管不是 4.1 的小节）。 您还需要使用第 13 章作为参考。 其他章节主要介绍驱动程序无需与之交互的 E1000 组件。 一开始不要担心细节； 只需感受一下文档的结构，以便稍后查找。 E1000 有许多高级功能，其中大部分您可以忽略。 完成本实验只需要一小组基本功能。
我们在e1000.c中为您提供的e1000_init（）函数将e1000配置为读取要从RAM传输的数据包，并将接收到的数据包写入RAM。这种技术被称为DMA，用于直接存储器访问，指的是E1000硬件直接向RAM写入数据包和从RAM读取数据包。
由于数据包的突发到达速度可能快于驱动程序处理它们的速度，e1000_init（）为e1000提供了多个缓冲区，e1000可以将数据包写入其中。E1000要求通过RAM中的一组“描述符”来描述这些缓冲区；每个描述符包含RAM中的一个地址，E1000可以在该地址写入接收到的数据包。struct rx_desc描述描述符格式。描述符数组称为接收环或接收队列。它是一个圆环，当卡或驱动程序到达阵列的末端时，它会回到起点。e1000_init（）使用mbufalloc（）为要DMA的e1000分配mbuf数据包缓冲区。还有一个传输环，驱动程序应该将它希望E1000发送的数据包放入其中。e1000_init（）将两个环的大小配置为RX_RING_size和TX_RING_size。
当net.c中的网络堆栈需要发送数据包时，它会调用e1000_transmit（），其中包含一个保存要发送的数据包的mbuf。您的传输代码必须在TX（传输）环的描述符中放置指向数据包数据的指针。struct tx_desc描述描述符格式。您需要确保每个mbuf最终都被释放，但只有在E1000完成数据包传输之后（E1000在描述符中设置E1000_TXD_STAT_DD位来指示这一点）。
当E1000从以太网接收到每个数据包时，它将数据包DMA到下一个RX（接收）环描述符中addr指向的存储器。如果E1000中断尚未挂起，则E1000会要求PLIC在启用中断后立即发送一个中断。e1000_recv（）代码必须扫描RX环，并通过调用net_RX（）将每个新数据包的mbuf传递到网络堆栈（在net.c中）。然后，您需要分配一个新的mbuf并将其放入描述符中，这样当E1000再次到达RX环中的那个点时，它就会找到一个新缓冲区，将新数据包DMA到其中。
除了读取和写入RAM中的描述符环外，您的驱动程序还需要通过其内存映射的控制寄存器与E1000进行交互，以检测接收到的数据包何时可用，并通知E1000驱动程序已用要发送的数据包填充了一些TX描述符。全局变量regs保存指向E1000的第一控制寄存器的指针；您的驱动程序可以通过将regs作为数组进行索引来访问其他寄存器。您需要特别使用索引E1000_RDT和E1000_TDT。
要测试驱动程序，请在一个窗口中运行make server，在另一个窗口运行make qemu，然后在xv6中运行nettest。nettests中的第一个测试尝试向主机操作系统发送UDP数据包，该数据包寻址到使服务器运行的程序。如果你还没有完成实验，E1000驱动程序实际上不会发送数据包，也不会发生什么事情。
在你完成实验室后，E1000驱动程序将发送数据包，qemu将把它发送到你的主机，让服务器看到它，它将发送一个响应数据包，E1000驱动器和网络测试将看到响应数据包。然而，在主机发送回复之前，它会向xv6发送一个“ARP”请求包，以找出其48位以太网地址，并期望xv6以ARP回复进行响应。一旦您完成了E1000驱动程序的工作，kernel/net.c就会处理这个问题。如果一切顺利，nettests将打印测试ping:OK，make server将打印来自xv6的消息！。
您的输出看起来会有所不同，但它应该包含字符串“ARP，Request”、“ARP，Reply”、“UDP”、“a.message.from.xv6”和“this.is.host”。
nettests执行一些其他测试，最终通过（真实的）互联网向谷歌的一个名称服务器发送DNS请求。您应该确保您的代码通过所有这些测试，然后您应该看到以下输出：
$ 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.
您应该确保make grade同意您的解决方案通过。
Hints：
首先，将print语句添加到e1000_transmit（）和e1000_recv（）中，并运行make-server和（在xv6中）nettest。您应该从打印语句中看到，nettest生成了对e1000_transmit的调用。
实现e1000_transmit的一些提示：
- 首先，通过读取E1000_TDT控制寄存器，向E1000询问它期望下一个数据包的TX ring索引。
- 然后检查环是否溢出。如果E1000_TDT索引的描述符中没有设置E1000_TXD_STAT_DD，则E1000没有完成相应的上一次传输请求，因此返回错误。
- 否则，使用mbuffree（）释放从该描述符传输的最后一个mbuf（如果有的话）。
- 然后填写描述符。m->head指向内存中数据包的内容，m->len是数据包的长度。设置必要的cmd标志（请参阅E1000手册中的第3.3节），并隐藏一个指向mbuf的指针，以便稍后释放。
- 最后，通过在E1000_TDT模TX_ring_SIZE上加一来更新环位置。
- 如果e1000_transmit（）将mbuf成功添加到环中，则返回0。失败时（例如，没有可用于传输mbuf的描述符），返回-1，以便调用者知道释放mbuf。
实现e1000_recv的一些提示：
- 首先，通过获取E1000_RDT控制寄存器并加一模RX_ring_SIZE，向E1000询问下一个等待接收的数据包（如果有的话）所在的环索引。
- 然后通过检查描述符的状态部分中的E1000_RXD_STAT_DD比特来检查新分组是否可用。如果没有，请停止。
- 否则，将mbuf的m->len更新为描述符中报告的长度。使用net_rx（）将mbuf传递到网络堆栈。
- 然后使用mbufalloc（）分配一个新的mbuf，以替换刚刚给net_rx（）的mbuf。将其数据指针（m->head）编程到描述符中。将描述符的状态位清除为零。
- 最后，将E1000_RDT寄存器更新为处理的最后一个环形描述符的索引。
- e1000_init（）使用mbufs初始化RX环，您需要了解它是如何做到这一点的，也许还需要借用代码。
- 在某个时刻，曾经到达的分组的总数将超过环大小（16）；请确保您的代码能够处理此问题。
您需要锁来应对xv6可能使用来自多个进程的E1000，或者在中断到达时可能在内核线程中使用E1000的可能性。
解决方案
个人觉得这个lab的难度应该就是看文档了。代码量很少。
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);
uint32 i = regs[E1000_TDT];
// i %= TX_RING_SIZE; // 在上一次结束位置已经模了，所以这里不需要在模了
if ((tx_ring[i].status & 0x01) != E1000_TXD_STAT_DD) {
release(&e1000_lock);
return -1;
}
if (tx_mbufs[i]) {
mbuffree(tx_mbufs[i]);
}
tx_mbufs[i] = m;
tx_ring[i].addr = (uint64)m->head;
tx_ring[i].length = m->len;
tx_ring[i].cmd = E1000_TXD_CMD_RS | E1000_TXD_CMD_EOP;
tx_ring[i].status = 0;
regs[E1000_TDT] = (i + 1) % TX_RING_SIZE;
release(&e1000_lock);
return 0;
}
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()).
//
uint32 i = regs[E1000_RDT];
i = (i + 1) % RX_RING_SIZE;
while ((rx_ring[i].status &0x01) == E1000_RXD_STAT_DD) {
mbufput(rx_mbufs[i], rx_ring[i].length);
net_rx(rx_mbufs[i]);
rx_mbufs[i] = mbufalloc(0);
rx_ring[i].addr = (uint64)rx_mbufs[i]->head;
rx_ring[i].status = 0;
i = (i + 1) % RX_RING_SIZE;
}
regs[E1000_RDT] = i - 1;
}
