linux中ioctl的工作流程以及ethtool是如何获取网络设备信息的

一、前言

假设输入命令sudo ethtool eth0，那么ethtool是怎么工作的？在分析之前先编译一个可执行文件，方便我们调试

二、通过ethtool源码编译可执行文件

1.准备工作

• 下载源码：

  • 链接： https://www.kernel.org/pub/software/network/ethtool/

• 安装依赖：

  • ethtool的编译依赖于一些开发工具和库，如automake、autoconf。在基于Ubuntu的系统上，可以使用以下命令安装这些依赖：

sudo apt-get install automake autoconf

注意查看文件autogen.sh里的描述，看下载的版本是否支持

2.编译步骤

• 生成配置文件：
  • 进入源码目录，执行以下命令生成配置文件：

./autogen.sh

• 如果遇到automake工具未安装的错误，请确保已安装automake

• 配置编译选项：

  • 执行configure脚本，配置编译信息并生成Makefile文件。对于本地编译，可以直接使用以下命令：

./configure

• 编译源码：
  • 执行make命令，开始编译，需要指定linux的头文件位置

make CFLAGS="-g -O0 -I/usr/src/linux-2.6.10/include"

• 编译完成后，可以在当前目录下看到生成的ethtool可执行文件

3.验证编译结果

运行测试：

• 可以直接运行ethtool命令来测试其功能。例如：

sudo ./ethtool -h

• 这将显示ethtool的帮助信息，验证其是否正常运行

三、ethtool入口函数

int main(int argc, char **argp, char **envp)
{parse_cmdline(argc, argp);return doit();
}

四、解析命令行参数parse_cmdline

static void parse_cmdline(int argc, char **argp)
{int i, k;for (i = 1; i < argc; i++) {switch (i) {case 1:for (k = 0; args[k].srt; k++)if (!strcmp(argp[i], args[k].srt) ||!strcmp(argp[i], args[k].lng)) {mode = args[k].Mode;break;}if (mode == MODE_HELP ||(!args[k].srt && argp[i][0] == '-'))show_usage(0);elsedevname = argp[i];break;...
}

1.函数框架

static void parse_cmdline(int argc, char **argp)
{int i, k;for (i = 1; i < argc; i++) {switch (i) {case 1:  // 第一个参数处理// ...case 2:  // 第二个参数处理  // ...case 3:  // 第三个参数处理// ...default: // 其他参数处理// ...}}// 后处理逻辑
}

2.第一个参数处理 (case 1)

case 1:for (k = 0; args[k].srt; k++)if (!strcmp(argp[i], args[k].srt) ||!strcmp(argp[i], args[k].lng)) {mode = args[k].Mode;break;}if (mode == MODE_HELP ||(!args[k].srt && argp[i][0] == '-'))show_usage(0);elsedevname = argp[i];break;

2.1.遍历选项表

for (k = 0; args[k].srt; k++)

• 遍历 args[] 数组，直到遇到 srt 为 NULL 的结束标记

• args[] 包含了所有支持的命令行选项，每一个参数是如下结构体

• static struct option {char *srt, *lng;int Mode;char *help;char *opthelp;
  } args
  

2.2.选项匹配检查

if (!strcmp(argp[i], args[k].srt) ||!strcmp(argp[i], args[k].lng)) {mode = args[k].Mode;break;
}

• !strcmp(argp[i], args[k].srt): 匹配短选项（如 -s）
• !strcmp(argp[i], args[k].lng): 匹配长选项（如 --change）
• mode = args[k].Mode: 设置对应的操作模式
• break: 找到匹配后立即退出循环

2.3. 特殊条件处理

if (mode == MODE_HELP ||(!args[k].srt && argp[i][0] == '-'))show_usage(0);

两种情况下显示帮助信息：

• 模式是帮助: mode == MODE_HELP
• 未知选项: !args[k].srt（遍历完都没找到匹配）且 argp[i][0] == '-'（以破折号开头）

2.4.默认情况

elsedevname = argp[i];

• 如果不是选项，就认为是设备名（如 eth0）

五、开始操作doit

static int doit(void)
{struct ifreq ifr;int fd;/* Setup our control structures. */memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));strcpy(ifr.ifr_name, devname);/* Open control socket. */fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (fd < 0) {perror("Cannot get control socket");return 70;}/* all of these are expected to populate ifr->ifr_data as needed */if (mode == MODE_GDRV) {return do_gdrv(fd, &ifr);} else if (mode == MODE_GSET) {return do_gset(fd, &ifr);} ...
}

1.函数框架

static int doit(void)
{struct ifreq ifr;int fd;// 初始化网络接口请求结构// 创建控制socket// 根据模式分发到具体处理函数
}

2.网络接口初始化

2.1.初始化 ifreq 结构

memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
strcpy(ifr.ifr_name, devname);

• memset: 清空结构体，避免未初始化内存
• strcpy: 设置网络设备名（如 eth0）
• ifreq 结构体: 用于内核与用户空间传递网络接口信息

2.2.创建控制socket

fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (fd < 0) {perror("Cannot get control socket");return 70;
}

• AF_INET: IPv4 协议族
• SOCK_DGRAM: 数据报socket（UDP）
• 返回值70: Unix惯例，表示系统配置错误
• 用途: 通过这个socket发送ioctl命令到内核

2.3.查询网卡信息

sudo ./ethtool eth0

// 流程:
mode = MODE_GSET (默认模式)
→ 调用 do_gset(fd, &ifr)
→ 发送 SIOCETHTOOL ioctl 获取设置
→ 显示速度、双工、自动协商等信息

六、获取网络设备的各项设置do_gset

static int do_gset(int fd, struct ifreq *ifr)
{int err;struct ethtool_cmd ecmd;struct ethtool_wolinfo wolinfo;struct ethtool_value edata;int allfail = 1;fprintf(stdout, "Settings for %s:\n", devname);ecmd.cmd = ETHTOOL_GSET;ifr->ifr_data = (caddr_t)&ecmd;err = send_ioctl(fd, ifr);if (err == 0) {err = dump_ecmd(&ecmd);if (err)return err;allfail = 0;} else if (errno != EOPNOTSUPP) {perror("Cannot get device settings");}wolinfo.cmd = ETHTOOL_GWOL;ifr->ifr_data = (caddr_t)&wolinfo;err = send_ioctl(fd, ifr);if (err == 0) {err = dump_wol(&wolinfo);if (err)return err;allfail = 0;} else if (errno != EOPNOTSUPP) {perror("Cannot get wake-on-lan settings");}edata.cmd = ETHTOOL_GMSGLVL;ifr->ifr_data = (caddr_t)&edata;err = send_ioctl(fd, ifr);if (err == 0) {fprintf(stdout, "	Current message level: 0x%08x (%d)\n""			       ",edata.data, edata.data);print_flags(cmdline_msglvl, ARRAY_SIZE(cmdline_msglvl),edata.data);fprintf(stdout, "\n");allfail = 0;} else if (errno != EOPNOTSUPP) {perror("Cannot get message level");}edata.cmd = ETHTOOL_GLINK;ifr->ifr_data = (caddr_t)&edata;err = send_ioctl(fd, ifr);if (err == 0) {fprintf(stdout, "	Link detected: %s\n",edata.data ? "yes":"no");allfail = 0;} else if (errno != EOPNOTSUPP) {perror("Cannot get link status");}if (allfail) {fprintf(stdout, "No data available\n");return 75;}return 0;
}

1.函数概述

static int do_gset(int fd, struct ifreq *ifr)

• 目的：获取网络设备的多种配置信息
• 参数：
  • fd：网络设备文件描述符
  • ifr：指向接口请求结构的指针
• 返回值：成功返回0，失败返回错误码

2.函数执行流程

2.1. 初始化阶段

int err;
struct ethtool_cmd ecmd;
struct ethtool_wolinfo wolinfo;
struct ethtool_value edata;
int allfail = 1;  // 初始假设所有操作都会失败fprintf(stdout, "Settings for %s:\n", devname);

2.2. 获取设备基本设置 (ETHTOOL_GSET)

ecmd.cmd = ETHTOOL_GSET;
ifr->ifr_data = (caddr_t)&ecmd;
err = send_ioctl(fd, ifr);

• 功能：获取网卡速度、双工模式、自适应等基本设置
• 处理逻辑：
  • 成功：调用 dump_ecmd() 输出详细信息，标记 allfail = 0
  • 失败但非不支持：报错"Cannot get device settings"
  • 不支持操作：静默跳过

2.3. 获取Wake-on-LAN设置 (ETHTOOL_GWOL)

wolinfo.cmd = ETHTOOL_GWOL;
ifr->ifr_data = (caddr_t)&wolinfo;
err = send_ioctl(fd, ifr);

• 功能：获取网络唤醒配置
• 处理逻辑：同上，成功时调用 dump_wol() 输出WOL设置

2.4. 获取消息级别 (ETHTOOL_GMSGLVL)

edata.cmd = ETHTOOL_GMSGLVL;
ifr->ifr_data = (caddr_t)&edata;
err = send_ioctl(fd, ifr);

• 功能：获取驱动调试消息级别

• 成功输出示例：

  Current message level: 0x00000007 (7)drv probe link
  

2.5. 获取链路状态 (ETHTOOL_GLINK)

edata.cmd = ETHTOOL_GLINK;
ifr->ifr_data = (caddr_t)&edata;
err = send_ioctl(fd, ifr);

• 功能：检测网络链路状态（是否连接）
• 输出：“Link detected: yes” 或 “Link detected: no”

七、sys_ioctl系统调用

asmlinkage long sys_ioctl(unsigned int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{struct file * filp;unsigned int flag;int on, error = -EBADF;...switch (cmd) {...default:error = -ENOTTY;if (S_ISREG(filp->f_dentry->d_inode->i_mode))error = file_ioctl(filp, cmd, arg);else if (filp->f_op && filp->f_op->ioctl)error = filp->f_op->ioctl(filp->f_dentry->d_inode, filp, cmd, arg);}...
}

1.代码执行流程

1.1. 初始错误设置

error = -ENOTTY;

• -ENOTTY: "对于设备不适当的ioctl"错误
• 这是默认的错误返回值，表示该命令不被支持

1.2. 文件类型检查和处理

if (S_ISREG(filp->f_dentry->d_inode->i_mode))error = file_ioctl(filp, cmd, arg);

条件: S_ISREG(...) 检查文件是否是普通文件（regular file）

• 处理: 调用 file_ioctl(filp, cmd, arg)
• 含义: 对于普通文件（如文本文件、二进制文件等），使用通用的文件ioctl处理函数

2.3. 设备文件检查和处理

else if (filp->f_op && filp->f_op->ioctl)error = filp->f_op->ioctl(filp->f_dentry->d_inode, filp, cmd, arg);

条件:

• filp->f_op 存在（文件操作表不为空）
• filp->f_op->ioctl 存在（设备提供了ioctl处理方法）

处理: 调用设备特定的ioctl处理函数

• 参数: inode, file, cmd, arg
• 含义: 将ioctl请求转发给具体的设备驱动程序处理

八、sock_ioctl处理套接字相关的ioctl请求

static int sock_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,unsigned long arg)
{struct socket *sock;void __user *argp = (void __user *)arg;int pid, err;...switch (cmd) {...default:err = sock->ops->ioctl(sock, cmd, arg);break;}...
}

1.函数概述

static int sock_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,unsigned long arg)

• 作用: 处理套接字文件的ioctl系统调用
• 参数:
  • inode: 文件的inode结构
  • file: 文件结构指针
  • cmd: ioctl命令
  • arg: 命令参数（用户空间指针）

2.默认分支处理

default:err = sock->ops->ioctl(sock, cmd, arg);break;

执行逻辑：

1. 获取套接字操作表: sock->ops 指向特定协议族的操作函数表
2. 调用协议特定的ioctl: sock->ops->ioctl(sock, cmd, arg)
3. 返回执行结果: 错误码通过err变量返回

九、inet_ioctl处理IPv4套接字的ioctl请求

int inet_ioctl(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{struct sock *sk = sock->sk;int err = 0;switch (cmd) {...default:if (!sk->sk_prot->ioctl ||(err = sk->sk_prot->ioctl(sk, cmd, arg)) ==-ENOIOCTLCMD)err = dev_ioctl(cmd, (void __user *)arg);break;}return err;
}

1.函数概述

int inet_ioctl(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg)

• 作用: 处理IPv4协议族的套接字ioctl命令
• 参数:
  • sock: 套接字结构
  • cmd: ioctl命令
  • arg: 命令参数

2.默认分支执行逻辑

default:if (!sk->sk_prot->ioctl ||(err = sk->sk_prot->ioctl(sk, cmd, arg)) == -ENOIOCTLCMD)err = dev_ioctl(cmd, (void __user *)arg);break;

2.1.执行流程图

默认分支开始↓
检查sk->sk_prot->ioctl是否存在？↓
不存在 或 存在但返回-ENOIOCTLCMD → 调用dev_ioctl()↓  
存在且处理成功 → 返回协议处理结果↓
返回错误码

3.详细逻辑分解

条件1: 检查协议是否支持ioctl

if (!sk->sk_prot->ioctl || ... )

• 含义: 如果传输层协议没有实现ioctl操作
• 示例: 某些简单的协议可能没有特定的ioctl处理

条件2: 协议处理返回特定错误

(err = sk->sk_prot->ioctl(sk, cmd, arg)) == -ENOIOCTLCMD

• -ENOIOCTLCMD: "没有这样的ioctl命令"错误码
• 含义: 协议层表示不认识这个命令，需要继续向下传递

最终处理:

err = dev_ioctl(cmd, (void __user *)arg);

• dev_ioctl: 网络设备相关的ioctl处理函数
• 含义: 将命令传递给网络设备层处理

十、dev_ioctl 处理网络设备相关的ioctl命令

// net/core/dev.c
int dev_ioctl(unsigned int cmd, void __user *arg)
{struct ifreq ifr;int ret;char *colon;...switch (cmd) {...case SIOCETHTOOL:dev_load(ifr.ifr_name);rtnl_lock();ret = dev_ethtool(&ifr);rtnl_unlock();if (!ret) {if (colon)*colon = ':';if (copy_to_user(arg, &ifr,sizeof(struct ifreq)))ret = -EFAULT;}return ret;...}
}

1.函数概述

int dev_ioctl(unsigned int cmd, void __user *arg)

• 作用: 处理网络设备相关的ioctl命令
• 参数:
  • cmd: ioctl命令
  • arg: 用户空间参数指针

2.SIOCETHTOOL分支执行流程

2.1. 用户空间数据拷贝

/* 在函数开头部分 */
if (copy_from_user(&ifr, arg, sizeof(struct ifreq)))return -EFAULT;

• 作用: 从用户空间安全地拷贝ifreq结构到内核空间

2.2. 驱动模块加载

dev_load(ifr.ifr_name);

• 作用: 确保网络设备驱动模块已加载
• 逻辑: 如果设备不存在，尝试自动加载对应的内核模块
• 示例: 对于"eth0"接口，可能加载对应的网络驱动模块

2.3. 网络设备锁保护

rtnl_lock();
// ... 关键操作
rtnl_unlock();

• RTNL: Run-Time Network Lock（运行时网络锁）
• 作用: 保护网络设备配置的并发访问，防止竞态条件
• 重要性: 网络设备操作必须是原子的

2.4. 核心ethtool处理

ret = dev_ethtool(&ifr);

• dev_ethtool: 实际处理所有ethtool命令的函数

2.5. 结果返回用户空间

if (!ret) {if (colon)*colon = ':';if (copy_to_user(arg, &ifr, sizeof(struct ifreq)))ret = -EFAULT;
}

• 条件: 只有操作成功(ret == 0)时才拷贝数据回用户空间
• copy_to_user: 安全地将内核数据拷贝到用户空间
• colon处理: 恢复接口名中的冒号（如果有的话）

十一、dev_ethtool处理所有ethtool子命令的分发和执行

int dev_ethtool(struct ifreq *ifr)
{struct net_device *dev = __dev_get_by_name(ifr->ifr_name);void __user *useraddr = ifr->ifr_data;u32 ethcmd;int rc;...switch (ethcmd) {case ETHTOOL_GSET:rc = ethtool_get_settings(dev, useraddr);break;...

1.函数概述

int dev_ethtool(struct ifreq *ifr)

• 作用: 处理所有ethtool子命令的分发和执行

2.完整函数逻辑

2.1. 网络设备查找

struct net_device *dev = __dev_get_by_name(ifr->ifr_name);

• 作用: 根据接口名查找网络设备结构

2.2.用户空间数据指针

void __user *useraddr = ifr->ifr_data;

• 作用: 指向ethtool命令数据的用户空间指针

• 数据流:

  用户空间: struct ifreq.ifr_data → 指向ethtool_cmd等结构↓
  内核空间: useraddr → 通过copy_from_user/copy_to_user访问
  

2.3. ETHTOOL_GSET命令详解

case ETHTOOL_GSET:rc = ethtool_get_settings(dev, useraddr);break;

3.重要安全机制

3.1. 权限验证

if (!capable(CAP_NET_ADMIN))return -EPERM;

• 需要CAP_NET_ADMIN能力（通常需要root权限）

3.2. 用户空间指针安全

if (copy_from_user(&ethcmd, useraddr, sizeof(ethcmd)))return -EFAULT;if (copy_to_user(useraddr, &ecmd, sizeof(ecmd)))return -EFAULT;

3.3. 驱动支持检查

if (!dev->ethtool_ops || !dev->ethtool_ops->get_settings)return -EOPNOTSUPP;

十二、ethtool_get_settings负责处理ETHTOOL_GSET命令

static int ethtool_get_settings(struct net_device *dev, void __user *useraddr)
{struct ethtool_cmd cmd = { ETHTOOL_GSET };int err;if (!dev->ethtool_ops->get_settings)return -EOPNOTSUPP;err = dev->ethtool_ops->get_settings(dev, &cmd);if (err < 0)return err;if (copy_to_user(useraddr, &cmd, sizeof(cmd)))return -EFAULT;return 0;
}

1.函数概述

static int ethtool_get_settings(struct net_device *dev, void __user *useraddr)

• 作用: 获取网络设备的物理层设置（速度、双工模式、自适应等）
• 调用路径: dev_ethtool() → ethtool_get_settings()
• 返回值: 成功返回0，失败返回错误码

2.函数执行流程

2.1.完整执行流程图

ethtool_get_settings开始↓
初始化ethtool_cmd结构，设置cmd=ETHTOOL_GSET↓
检查驱动是否支持get_settings操作↓
调用驱动特定的get_settings方法↓
将结果拷贝回用户空间↓
返回执行状态

3.代码详细解析

3.1. 初始化ethtool命令结构

struct ethtool_cmd cmd = { ETHTOOL_GSET };

• 作用: 创建并初始化ethtool_cmd结构体
• ETHTOOL_GSET: 命令常量

3.2. 驱动支持检查

if (!dev->ethtool_ops->get_settings)return -EOPNOTSUPP;

• 作用: 验证网络设备驱动是否实现了get_settings方法
• -EOPNOTSUPP: "操作不支持"错误码

3.3. 调用驱动特定的get_settings方法

err = dev->ethtool_ops->get_settings(dev, &cmd);
if (err < 0)return err;

• 作用: 执行具体的硬件访问操作，填充ethtool_cmd结构
• 参数:
  • dev: 网络设备指针
  • &cmd: 要填充的ethtool命令结构指针
• 返回值处理: 如果驱动返回错误，直接传播给调用者

3.4. 结果返回用户空间

if (copy_to_user(useraddr, &cmd, sizeof(cmd)))return -EFAULT;
return 0;

• 作用: 将填充好的设备设置信息返回给用户空间
• copy_to_user: 安全地将内核数据拷贝到用户空间
• -EFAULT: "错误的地址"错误码（值为-14），表示用户空间指针无效

十三、ethtool获取eth0设备信息内核空间完整调用链

ioctl → sys_ioctl →sock_ioctl→ inet_ioctl → dev_ioctl → dev_ethtool→ethtool_get_settings

用户空间: ioctl(SIOCETHTOOL, &ifr)↓
系统调用: sys_ioctl()↓
套接字层: sock_ioctl()↓  
网络层: inet_ioctl()↓
设备层: dev_ioctl(SIOCETHTOOL)↓
ethtool层: dev_ethtool(&ifr)↓
命令分发: switch(ethcmd) → case ETHTOOL_GSET↓
具体处理: ethtool_get_settings(dev, useraddr)↓
驱动调用: dev->ethtool_ops->get_settings(dev, &ecmd)↓
硬件访问: 读取PHY寄存器等硬件操作