ethtool 在 Linux 中的實現架構和應用

ethtool 在 Linux 中的實現架構和應用

Linux 的一個顯著特點就是其強大的網路功能，Linux 幾乎支援所有的網路通訊協定，並在這些協議基礎上提供了豐富的應用。對 Linux 網路管理的重要性不言而喻，這些管理依賴於網路工具，比如最常用的 ifconfig,route,ip,ethtool 等，其中 ethtool 提供了強大的網卡及網卡驅動管理能力，其具體的實現架構和網路驅動程式及網路硬體關係緊密，容易修改和擴充，能夠為 Linux 網路開發人員和管理員提供對網卡硬體，驅動程式和網路通訊協定棧的設定，查看以及及調試等功能。

Linux 網路卡驅動程式對 ethtool 的支援和實現從典型的乙太網路控制器說起

網卡工作在 OSI 網路體系的最後兩層，物理層和資料連結層，物理層定義了資料傳送與接收所需要的電與光訊號、線路狀態、時鐘基準、資料編碼和電路等，並向資料連結層裝置提供標準介面。物理層的晶片稱之為 PHY。資料連結層則提供定址機構、資料幀的構建、資料差錯檢查、傳送控制、向網路層提供標準的資料介面等功能。乙太網路卡中資料連結層的晶片稱之為 MAC 控制器。很多網卡的這兩個部分是做到一起的。他們之間的關係是 PCI 匯流排接 MAC 匯流排，MAC 接 PHY，PHY 接網線（當然也不是直接接上的，還有一個變壓裝置）。

一般地，一個典型的乙太網路控制器的基本結構 1 所示：

圖 1. 一個典型的符合 IEEE802.3 標準的的乙太網路控制器結構圖

資料連結層 MAC 是 Media Access Control 的縮寫，即媒體存取控制子層協議。該協議位於 OSI 七層協議中資料連結層的下半部分，主要負責控制與串連物理層的物理介質。在發送資料的時候，MAC 協議可以事先判斷是否可以發送資料，如果可以發送將給資料加上一些控制資訊，最終將資料以及控制資訊以規定的格式發送到物理層；在接收資料的時候，MAC 協議首先判斷輸入的資訊並是否發生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制資訊發送至 LLC 層。乙太網路 MAC 由 IEEE-802.3 乙太網路標準定義。

物理層 PHY 是物理介面收發器，它實現物理層。包括 MII/GMII（介質獨立介面）子層、PCS（物理編碼子層）、PMA（物理介質附加）子層、 PMD（物理介質相關）子層、MDI 子層。

MII 即媒體獨立介面 , “媒體獨立”表明在不對 MAC 硬體重新設計或替換的情況下，任何類型的 PHY 裝置都可以正常工作。包括分別用於發送器和接收器的兩條獨立通道。每條通道都有自己的資料、時鐘和控制訊號。MII 資料介面總共需要 16 個訊號，包括 TX_ER，TXD<3:0>，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD<3:0>，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV 等。

RMII (Reduced Media Independant Interface ) 是簡化的 MII 介面 ，在資料的收發上它比 MII 介面少了一倍的訊號線，所以它一般要求是 50 兆的匯流排時鐘 。RMII 一般用在多連接埠的交換器，它不是每個連接埠安排收、發兩個時鐘，而是所有的資料連接埠公用一個時鐘用於所有連接埠的收發 ，這裡就節省了不少的連接埠數目。RMII 的一個連接埠要求 7 個資料線 ，比 MII 少了一倍，所以交換器能夠接入多一倍資料的連接埠。和 MII 一樣，RMII 支援 10 兆和 100 兆的匯流排介面速度 。

GMII(Gigabit MII) 是千兆網的 MII 介面，這個也有相應的 RGMII 介面，表示簡化了的 GMII 介面。GMII 採用 8 位介面資料，工作時鐘 125MHz，因此傳輸速率可達 1000Mbps 。同時相容 MII 所規定的 10/100 Mbps 工作方式。

MII 管理介面是個雙訊號介面，一個是時鐘訊號 MDC，另一個是資料訊號 MDIO。通過管理介面，上層能監視和控制 PHY 的寄存器。PHY 裡面的部分寄存器是 IEEE 定義的，這樣 PHY 把自己的目前的狀態反映到寄存器裡面，MAC 通過管理介面不斷的讀取 PHY 的狀態寄存器以得知目前 PHY 的狀態，例如連線速度，雙工的能力等。當然也可以通過管理介面設定 PHY 的寄存器達到控制的目的，例如流控的開啟關閉，自協商模式還是強制模式等，這也是 ethtool 的工作原理。

MDIO/MDC，即 PHY 管理介面串列通訊匯流排，該匯流排由 IEEE 通過乙太網路標準 IEEE 802.3 的若干條款加以定義。MDIO 是一種簡單的雙串線行介面，將管理器件 ( 如 MAC 控制器、微處理器 ) 與具備管理功能的收發器 ( 如多連接埠吉位元乙太網路收發器或 10GbE XAUI 收發器 ) 相串連，從而控制收發器並從收發器收集狀態資訊。可收集的資訊包括連結狀態、傳輸速度與選擇、斷電、低功率休眠狀態、TX/RX 模式選擇、自動協商控制、環回模式控制等。除了擁有 IEEE 要求的功能之外，收發器廠商還可添加更多的資訊收集功能。

MDC 則是管理資料的時鐘輸入，最高速率可達 8.3MHz。MDIO 是管理資料的輸入輸出雙向介面，資料是與 MDC 時鐘同步的。MDIO 的工作流程為：

• MDIO 介面在沒有傳輸資料的空閑狀態（IDLE）資料線 MDIO 處於高阻態。
• MDIO 出現一個 2bit 的開始標識碼 (01) 一個讀 / 寫操作開始。
• MDIO 出現一個 2bit 資料來標識是讀操作 (10) 還是寫操作 (01)。
• MDIO 出現一個 5bit 資料標識 PHY 的地址。
• MDIO 出現一個 5bitPHY 寄存器地址。
• MDIO 需要 2 個時鐘的訪問時間。
• MDIO 串列讀出 / 寫入 16bit 的寄存器資料。
• MDIO 恢複成 IDLE 狀態，同時 MDIO 進入高阻狀態。

註：以上內容部分摘選自互連網。

Linux 裝置驅動程式中對 ethtool 的支援

目前幾乎所有的網路卡驅動程式都有對 ethtool 的支援，其架構 2 所示，ethtool 架構套件含核心空間和使用者空間兩部分：使用者空間的部分負責將 ethtool 命令發送到核心，並接收命令的執行結果；核心空間的部分根據相應的命令字，通過 MDIO/MDC 讀寫 MII 寄存器，實現對網卡的管理，並把執行結果傳回使用者空間。由於 Linux 網路驅動程式是一個複雜而龐大的體系，這裡只介紹驅動程式中對 MII 寄存器的定義，對 MDIO/MDC 的支援以及驅動程式中實現如何? ethtool 功能部分。

圖 2.ethtool 在 Linux 中的實現架構

IEEE 802.3 規定的 MII 寄存器

關於 MII/GMII 介面 PHY 寄存器的定義在 802.3 的 22.2.4 Management functions. 章節中，如該章節中的 Table 22 – 6 和 Table 22 – 7（即本文的圖 3 和圖 4，均出自 http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3-2008_section2.pdf）所示，

圖 3. IEEE802.3 定義的 MII 管理寄存器集

可以看到寄存器分為基本集和擴充集，基本集的定義因 GMII 和 MII 而不同，對於 MII, 基本集包括寄存器 0 控制寄存器和 1 狀態寄存器，而對於 GMII；基本集包括寄存器 0、1 和 15。控制寄存器 0 和狀態寄存器 1 的定義 3 所示：

圖 4. IEEE802.3 定義的寄存器 0 控制寄存器和 1 狀態寄存器

圖 4. IEEE802.3 定義的寄存器 0 控制寄存器和 1 狀態寄存器

對寄存器 0 和寄存器 1 的讀寫可以實現對網卡的管理，清單 1 列出了部分 PHY 管理寄存器以及控制寄存器和狀態寄存器的各個 bit 的定義。

清單 1,/kernel/drivers/net/Mii.h, 定義 PHY 管理寄存器

 #define MII_BMCR            0x00        /* Basic mode control register */  #define MII_BMSR            0x01        /* Basic mode status register  */  #define MII_PHYSID1         0x02        /* PHYS ID 1                   */  #define MII_PHYSID2         0x03        /* PHYS ID 2                   */  #define MII_ADVERTISE       0x04        /* Advertisement control reg   */  #define MII_LPA             0x05        /* Link partner ability reg    */  #define MII_EXPANSION       0x06        /* Expansion register          */  #define MII_CTRL1000        0x09        /* 1000BASE-T control          */  ...  /* Basic mode control register. */  #define BMCR_RESV               0x003f  /* Unused...                   */  #define BMCR_SPEED1000  0x0040  /* MSB of Speed (1000)         */  #define BMCR_CTST               0x0080  /* Collision test              */  #define BMCR_FULLDPLX           0x0100  /* Full duplex                 */  #define BMCR_ANRESTART          0x0200  /* Auto negotiation restart    */  #define BMCR_ISOLATE            0x0400  /* Disconnect DP83840 from MII */  #define BMCR_PDOWN              0x0800  /* Powerdown the DP83840       */  #define BMCR_ANENABLE           0x1000  /* Enable auto negotiation     */  #define BMCR_SPEED100           0x2000  /* Select 100Mbps              */  #define BMCR_LOOPBACK           0x4000  /* TXD loopback bits           */  #define BMCR_RESET              0x8000  /* Reset the DP83840           */  /* Basic mode status register. */  #define BMSR_ERCAP              0x0001  /* Ext-reg capability          */  #define BMSR_JCD                0x0002  /* Jabber detected             */  #define BMSR_LSTATUS            0x0004  /* Link status                 */  #define BMSR_ANEGCAPABLE        0x0008  /* Able to do auto-negotiation */  #define BMSR_RFAULT             0x0010  /* Remote fault detected       */  #define BMSR_ANEGCOMPLETE       0x0020  /* Auto-negotiation complete   */  #define BMSR_RESV               0x00c0  /* Unused...                   */  #define BMSR_ESTATEN  0x0100  /* Extended Status in R15 */  #define BMSR_100FULL2  0x0200  /* Can do 100BASE-T2 HDX */  #define BMSR_100HALF2  0x0400  /* Can do 100BASE-T2 FDX */  #define BMSR_10HALF             0x0800  /* Can do 10mbps, half-duplex  */  #define BMSR_10FULL             0x1000  /* Can do 10mbps, full-duplex  */  #define BMSR_100HALF            0x2000  /* Can do 100mbps, half-duplex */  #define BMSR_100FULL            0x4000  /* Can do 100mbps, full-duplex */  #define BMSR_100BASE4           0x8000  /* Can do 100mbps, 4k packets  */

通過 MDC/MDIO 讀寫 MII 寄存器的具體實現

在本文的前面部分介紹過 MDC/MDIO 的工作流程，網路卡驅動程式中的 MDIO 讀寫函數 mdio_read 和 mdio_write，也就是清單 3 中的函數指標的具體實現是在各個網卡的驅動程式檔案中完成的，都遵從 IEEE802.3 MDIO 的框架格式。典型的框架格式是第 22 條款中定義的格式：

圖 5.IEEE802.3 條款 22 定義的 MDIO 框架格式

域	長度（bit）	說明
ST	2bits	01b
OP	2bits	作業碼，寫為 01b，讀為 10b
PHYADR	5bits	PHY ID
REGADR	5bits	寄存器地址
TA	2 bits	狀態轉換域，讀操作為 X0b, 寫操作為 10b
DATA	16 bits	資料

在驅動程式中實現 ethtool 功能

在 kernel/include/linux/ethtool.h 定義了結構體 ethtool_ops，這個結構體的所有成員都是函數指標類型，定義了 ethtool 可以實現的功能，該結構體成員變數較多，在這裡就不列出代碼清單；同時，在結構體 net_device 中也有成員變數 ethtool_ops 如清單 2 所示，

清單 2,kernel/include/linux/NetDevice.h, net_device 中成員變數 ethtool_ops

 struct net_device  {  ...  const struct ethtool_ops *ethtool_ops;  ...  }

網路卡驅動程式需要初始化 ethtool_ops 並且實現其定義的函數功能，從而實現對 ethtool 的支援，以 Dm9000.c 為例。

清單 3，kernel/drivers/net/Dm9000.c,DM9000 驅動程式對 ethtool 的支援

 static const struct ethtool_ops dm9000_ethtool_ops = {  .get_drvinfo  = dm9000_get_drvinfo,  .get_settings= dm9000_get_settings,  .set_settings  = dm9000_set_settings,  .get_msglevel  = dm9000_get_msglevel,  .set_msglevel  = dm9000_set_msglevel,  .nway_reset= dm9000_nway_reset,  .get_link  = dm9000_get_link,   .get_eeprom_len  = dm9000_get_eeprom_len,   .get_eeprom  = dm9000_get_eeprom,  .set_eeprom= dm9000_set_eeprom,  .get_rx_csum= dm9000_get_rx_csum,  .set_rx_csum= dm9000_set_rx_csum,  .get_tx_csum= ethtool_op_get_tx_csum,  .set_tx_csum= dm9000_set_tx_csum,  };  ...  ndev->ethtool_ops  = &dm9000_ethtool_ops;  ...

清單 3 中的各個函數在 DM9000 的驅動程式中均有實現，比如如果需要查看當前網路的串連情況，可以通過 dm9000_get_link 獲得，函數的具體實現如清單 4：

清單 4，dm9000_get_link

 static u32 dm9000_get_link(struct net_device *dev)  {  board_info_t *dm = to_dm9000_board(dev);  u32 ret;  if (dm->flags & DM9000_PLATF_EXT_PHY)  ret = mii_link_ok(&dm->mii);  else  ret = dm9000_read_locked(dm, DM9000_NSR) & NSR_LINKST ? 1 : 0;  return ret;  }  kernel/drivers/net/Mii.c  int mii_link_ok (struct mii_if_info *mii)  {  /* first, a dummy read, needed to latch some MII phys */  mii->mdio_read(mii->dev, mii->phy_id, MII_BMSR);  if (mii->mdio_read(mii->dev, mii->phy_id, MII_BMSR) & BMSR_LSTATUS)  return 1;  return 0;  }

可以看到最終的實現還是通過 MDIO/MDC 讀取 PHY 寄存器得到。

除了管理網卡的命令，ethtool 還有還有其它擴充的功能，ethtool 的架構十分有利於新功能的擴充，開發人員可以在這個架構裡加入自己想要的功能來實現對除了網卡管理的其它功能，事實上，現在的 ethtool 已經提供了一些其它的功能，比如用來實現網卡 Firmware 的刷寫和更新，對網路驅動程式日誌的控制等，這些新功能對於偵錯工具，修正錯誤是十分有利的。

清單 5, 部分 ethtool 的擴充功能：firmware 更新和修改記錄層級

 ethtool -f|--flash DEVNAME   FILENAME  ethtool -s|--change DEVNAME  msglvl %d

使用 ethtool 配置和管理網卡

上一節主要介紹了 ethtool 實現的基礎和方法，本節將主要介紹 ethtool 的一些用法，主要集中在 ethtool 在配置和管理網卡方面的用法。

瞭解 ethtool 用法最好的方法是查看 ethtool 的協助資訊“ethtool -h” 或者 “man ethtool”，由於協助資訊很多，這裡就不一一列出了，將會舉例一些實際的應用例子代替。

執行個體 1，利用 ethtool 來查看網卡介面 eth4 的資訊

清單 6，查看網卡的介面資訊

 root@IMMV2-DEV4:~# ethtool eth4  Settings for eth4:         Supported ports: [ TP ]         Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full                                 100baseT/Half 100baseT/Full                                 1000baseT/Full         Supports auto-negotiation: Yes         Advertised link modes:  10baseT/Half 10baseT/Full                                 100baseT/Half 100baseT/Full                                 1000baseT/Full         Advertised auto-negotiation: Yes         Speed: 100Mb/s         Duplex: Full         Port: Twisted Pair         PHYAD: 1         Transceiver: internal         Auto-negotiation: on         Supports Wake-on: g         Wake-on: g         Link detected: yes

執行個體 2，關閉網卡的自動協商並且查看修改結果。

清單 7，關閉網卡的自動協商並且查看修改結果

 root@IMMV2-DEV4:~# ethtool -s eth4 autoneg off  root@IMMV2-DEV4:~# ethtool eth4  Settings for eth4:  Supported ports: [ TP ]  Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full                         100baseT/Half 100baseT/Full                         1000baseT/Full  Supports auto-negotiation: Yes  Advertised link modes:  Not reported  Advertised auto-negotiation: No  Speed: 100Mb/s  Duplex: Full  Port: Twisted Pair  PHYAD: 1  Transceiver: internal  Auto-negotiation: off  Supports Wake-on: g  Wake-on: g  Link detected: yes

執行個體 3，關閉網卡的自動協商並且修改網卡的速率為 10Mb/s

清單 8，關閉網卡的自動協商並修改網卡速率為 10Mb/s

 root@IMMV2-DEV4:~# ethtool -s eth4 autoneg off speed 10  root@IMMV2-DEV4:~# ethtool eth4  Settings for eth4:         Supported ports: [ TP ]         Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full                                 100baseT/Half 100baseT/Full                                 1000baseT/Full         Supports auto-negotiation: Yes         Advertised link modes:  Not reported         Advertised auto-negotiation: No         Speed: 10Mb/s         Duplex: Full         Port: Twisted Pair         PHYAD: 1         Transceiver: internal         Auto-negotiation: off         Supports Wake-on: g         Wake-on: g         Link detected: yes

ethtool 的其它功能可以根據其協助資訊規定的文法來實現，這裡就不一一列舉。

擴充 ethtool

根據 NIC 的一些特性，可以擴充 ethtool 來完成對網卡特殊功能的支援，一個典型的擴充應用就是增加 ethtool 對 SideBand 的支援功能，有關 SideBand 的介紹可以參考 IBM developerWorks 《淺談 NCSI 及其在 Linux 上的實現

》。圖 6 是一個通過添加自訂的 cmd 和對應的實現函數來完成 SideBand 的 select_channel,enable_channel 及 disable_channel 等功能的框圖。以 select_channel 為例，可以通過如下的步驟來實現。

圖 6, 擴充 ethtool 的 sideband 管理功能

1. ethtool 的在使用者空間和核心空間同時添加命令字 ETHTOOL_SELCHANNEL；
2. 在 ethtool.ops 中添加與 ETHTOOL_SELCHANNEL 相對應的執行函數 ethtool_select_channel;
3. 在 dev_ethtool 函數中實現 ethtool_select_channel() 功能，這個函數的功能是利用協議棧的包發送介面向 NIC 的 mac 層發送封裝後的 NCSI 命令協議包，並且接受相應的回應 , 類似的對於 ethtool_enable_channel()，ethtool_disable_channel 都可以按照相同的方法來擴充，可以看出 ethtool 架構的擴充性是很好的，有利於開發人員根據實際需要來量身定製。

總結

ethtool 是一個 Linux 下功能強大的網路管理工具，本文首先介紹了這個工具的實現原理和方法，重點介紹了 IEEE802.3.22 中的 MII 管理寄存器和 MDIO/MDC 標準以及 Linux 網路驅動程式中對 ethtool 的支援，然後執行個體說明了利用這個工具管理網卡的方法，最後介紹了在 ethtool 架構上擴充 SideBand 管理的執行個體，可以作為廣大開發人員的一個參考。

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