linux kernel 网络协议栈之GRO(Generic receive offload)

GRO(Generic receive offload)在内核2.6.29之后合并进去的，作者是一个华裔Herbert Xu ,GRO的简介可以看这里：

http://lwn.net/Articles/358910/

先来描述一下GRO的作用，GRO是针对网络接受包的处理的，并且只是针对NAPI类型的驱动，因此如果要支持GRO，不仅要内核支持，而且驱动也必须调用相应的借口，用ethtool -K gro on来设置，如果报错就说明网卡驱动本身就不支持GRO。

GRO类似tso，可是tso只支持发送数据包，这样你tcp层大的段会在网卡被切包，然后再传递给对端，而如果没有gro，则小的段会被一个个送到协议栈，有了gro之后，就会在接收端做一个反向的操作(想对于tso).也就是将tso切好的数据包组合成大包再传递给协议栈。

如果实现了GRO支持的驱动是这样子处理数据的，在NAPI的回调poll方法中读取数据包，然后调用GRO的接口napi_gro_receive或者napi_gro_frags来将数据包feed进协议栈。而具体GRO的工作就是在这两个函数中进行的，他们最终都会调用__napi_gro_receive。下面就是napi_gro_receive，它最终会调用napi_skb_finish以及__napi_gro_receive。

gro_result_t napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb){skb_gro_reset_offset(skb);return napi_skb_finish(__napi_gro_receive(napi, skb), skb);}

然后GRO什么时候会将数据feed进协议栈呢，这里会有两个退出点，一个是在napi_skb_finish里，他会通过判断__napi_gro_receive的返回值，来决定是需要将数据包立即feed进协议栈还是保存起来，还有一个点是当napi的循环执行完毕时，也就是执行napi_complete的时候，先来看napi_skb_finish,napi_complete我们后面会详细介绍。

在NAPI驱动中，直接调用netif_receive_skb会将数据feed 进协议栈，因此这里如果返回值是NORMAL，则直接调用netif_receive_skb来将数据送进协议栈。

gro_result_t napi_skb_finish(gro_result_t ret, struct sk_buff *skb){switch (ret) {case GRO_NORMAL://将数据包送进协议栈if (netif_receive_skb(skb))ret = GRO_DROP;break;//表示skb可以被free，因为gro已经将skb合并并保存起来。case GRO_DROP:case GRO_MERGED_FREE://free skbkfree_skb(skb);break;//这个表示当前数据已经被gro保存起来，但是并没有进行合并，因此skb还需要保存。case GRO_HELD:case GRO_MERGED:break;}return ret;}

GRO的主要思想就是，组合一些类似的数据包(基于一些数据域，后面会介绍到)为一个大的数据包(一个skb)，然后feed给协议栈，这里主要是利用Scatter-gather IO，也就是skb的struct skb_shared_info域(我前面的blog讲述ip分片的时候有详细介绍这个域)来合并数据包。

在每个NAPI的实例都会包括一个域叫gro_list,保存了我们积攒的数据包(将要被merge的).然后每次进来的skb都会在这个链表里面进行查找，看是否需要merge。而gro_count表示当前的gro_list中的skb的个数。

struct napi_struct {................................................//个数unsigned intgro_count;......................................//积攒的数据包struct sk_buff*gro_list;struct sk_buff*skb;};

紧接着是gro最核心的一个数据结构napi_gro_cb,它是保存在skb的cb域中，它保存了gro要使用到的一些上下文，这里每个域kernel的注释都比较清楚。到后面我们会看到这些域的具体用途。

struct napi_gro_cb {/* Virtual address of skb_shinfo(skb)->frags[0].page + offset. */void *frag0;/* Length of frag0. */unsigned int frag0_len;/* This indicates where we are processing relative to skb->data. */int data_offset;/* This is non-zero if the packet may be of the same flow. */int same_flow;/* This is non-zero if the packet cannot be merged with the new skb. */int flush;/* Number of segments aggregated. */int count;/* Free the skb? */int free;};

每一层协议都实现了自己的gro回调函数，gro_receive和gro_complete，gro系统会根据协议来调用对应回调函数，其中gro_receive是将输入skb尽量合并到我们gro_list中。而gro_complete则是当我们需要提交gro合并的数据包到协议栈时被调用的。

下面就是ip层和tcp层对应的回调方法：

static const struct net_protocol tcp_protocol = {.handler =tcp_v4_rcv,.err_handler =tcp_v4_err,.gso_send_check = tcp_v4_gso_send_check,.gso_segment =tcp_tso_segment,//gso回调.gro_receive =tcp4_gro_receive,.gro_complete =tcp4_gro_complete,.no_policy =1,.netns_ok =1,};static struct packet_type ip_packet_type __read_mostly = {.type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),.func = ip_rcv,.gso_send_check = inet_gso_send_check,.gso_segment = inet_gso_segment,//gso回调.gro_receive = inet_gro_receive,.gro_complete = inet_gro_complete,};

gro的入口函数是napi_gro_receive，它的实现很简单，就是将skb包含的gro上下文reset，然后调用__napi_gro_receive,最终通过napi_skb_finis来判断是否需要讲数据包feed进协议栈。

gro_result_t napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb){//reset gro对应的域skb_gro_reset_offset(skb);return napi_skb_finish(__napi_gro_receive(napi, skb), skb);}

napi_skb_finish一开始已经介绍过了，这个函数主要是通过判断传递进来的ret(__napi_gro_receive的返回值),来决定是否需要feed数据进协议栈。它的第二个参数是前面处理过的skb。

这里再来看下skb_gro_reset_offset，首先要知道一种情况，那就是skb本身不包含数据(包括头也没有),而所有的数据都保存在skb_shared_info中(支持S/G的网卡有可能会这么做).此时我们如果想要合并的话，就需要将包头这些信息取出来，也就是从skb_shared_info的frags[0]中去的，在 skb_gro_reset_offset中就有做这个事情,而这里就会把头的信息保存到napi_gro_cb 的frags0中。并且此时frags必然不会在high mem,要么是线性区，要么是dma(S/G io)。 来看skb_gro_reset_offset。

void skb_gro_reset_offset(struct sk_buff *skb){NAPI_GRO_CB(skb)->data_offset = 0;NAPI_GRO_CB(skb)->frag0 = NULL;NAPI_GRO_CB(skb)->frag0_len = 0;//如果mac_header和skb->tail相等并且地址不在高端内存，则说明包头保存在skb_shinfo中，所以我们需要从frags中取得对应的数据包if (skb->mac_header == skb->tail &&    !PageHighMem(skb_shinfo(skb)->frags[0].page)) {//可以看到frag0保存的就是对应的skb的frags的第一个元素的地址NAPI_GRO_CB(skb)->frag0 =page_address(skb_shinfo(skb)->frags[0].page) +skb_shinfo(skb)->frags[0].page_offset;//然后保存对应的大小。NAPI_GRO_CB(skb)->frag0_len = skb_shinfo(skb)->frags[0].size;}}

接下来就是__napi_gro_receive，它主要是遍历gro_list,然后给same_flow赋值，这里要注意，same_flow是一个标记，表示某个skb是否有可能会和当前要处理的skb是相同的流,而这里的相同会在每层都进行判断，也就是在设备层，ip层，tcp层都会判断，这里就是设备层的判断了。这里的判断很简单，有2个条件：
1 设备是否相同
2 mac的头必须相等

如果上面两个条件都满足，则说明两个skb有可能是相同的flow，所以设置same_flow,以便与我们后面合并。

static gro_result_t__napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb){struct sk_buff *p;if (netpoll_rx_on(skb))return GRO_NORMAL;//遍历gro_list,然后判断是否有可能两个skb 相似。for (p = napi->gro_list; p; p = p->next) {//给same_flow赋值NAPI_GRO_CB(p)->same_flow =(p->dev == skb->dev) &&!compare_ether_header(skb_mac_header(p),      skb_gro_mac_header(skb));NAPI_GRO_CB(p)->flush = 0;}//调用dev_gro_receivreturn dev_gro_receive(napi, skb);}

接下来来看dev_gro_receive，这个函数我们分做两部分来看，第一部分是正常处理部分，第二部份是处理frag0的部分。

来看如何判断是否支持GRO，这里每个设备的features会在驱动初始化的时候被初始化，然后如果支持GRO，则会包括NETIF_F_GRO。 还有要注意的就是，gro不支持切片的ip包，因为ip切片的组包在内核的ip会做一遍，因此这里gro如果合并的话，没有多大意义，而且还增加复杂度。

在dev_gro_receive中会遍历对应的ptype(也就是协议的类链表，以前的blog有详细介绍),然后调用对应的回调函数，一般来说这里会调用文章开始说的ip_packet_type，也就是 inet_gro_receive。

而 inet_gro_receive的返回值表示我们需要立刻feed 进协议栈的数据包，如果为空，则说明不需要feed数据包进协议栈。后面会分析到这里他的详细算法。

而如果当inet_gro_receive正确返回后，如果same_flow没有被设置，则说明gro list中不存在能和当前的skb合并的项，因此此时需要将skb插入到gro list中。这个时候的返回值就是HELD。

enum gro_result dev_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb){struct sk_buff **pp = NULL;struct packet_type *ptype;__be16 type = skb->protocol;struct list_head *head = &ptype_base[ntohs(type) & PTYPE_HASH_MASK];int same_flow;int mac_len;enum gro_result ret;//判断是否支持groif (!(skb->dev->features & NETIF_F_GRO))goto normal;//判断是否为切片的ip包if (skb_is_gso(skb) || skb_has_frags(skb))goto normal;rcu_read_lock();//开始遍历对应的协议表list_for_each_entry_rcu(ptype, head, list) {if (ptype->type != type || ptype->dev || !ptype->gro_receive)continue;skb_set_network_header(skb, skb_gro_offset(skb));mac_len = skb->network_header - skb->mac_header;skb->mac_len = mac_len;NAPI_GRO_CB(skb)->same_flow = 0;NAPI_GRO_CB(skb)->flush = 0;NAPI_GRO_CB(skb)->free = 0;//调用对应的gro接收函数pp = ptype->gro_receive(&napi->gro_list, skb);break;}rcu_read_unlock();//如果是没有实现gro的协议则也直接调到normal处理if (&ptype->list == head)goto normal;//到达这里，则说明gro_receive已经调用过了，因此进行后续的处理//得到same_flowsame_flow = NAPI_GRO_CB(skb)->same_flow;//看是否有需要free对应的skbret = NAPI_GRO_CB(skb)->free ? GRO_MERGED_FREE : GRO_MERGED;//如果返回值pp部位空，则说明pp需要马上被feed进协议栈if (pp) {struct sk_buff *nskb = *pp;*pp = nskb->next;nskb->next = NULL;//调用napi_gro_complete 将pp刷进协议栈napi_gro_complete(nskb);napi->gro_count--;}//如果same_flow有设置，则说明skb已经被正确的合并，因此直接返回。if (same_flow)goto ok;//查看是否有设置flush和gro list的个数是否已经超过限制if (NAPI_GRO_CB(skb)->flush || napi->gro_count >= MAX_GRO_SKBS)goto normal;//到达这里说明skb对应gro list来说是一个新的skb，也就是说当前的gro list并不存在可以和skb合并的数据包，因此此时将这个skb插入到gro_list的头。napi->gro_count++;NAPI_GRO_CB(skb)->count = 1;skb_shinfo(skb)->gso_size = skb_gro_len(skb);//将skb插入到gro list的头skb->next = napi->gro_list;napi->gro_list = skb;//设置返回值ret = GRO_HELD;

然后就是处理frag0的部分，以及不支持gro的处理。

这里要需要对skb_shinfo的结构比较了解，我在以前的blog对这个有很详细的介绍，可以去查阅。

pull://是否需要拷贝头if (skb_headlen(skb) < skb_gro_offset(skb)) {//得到对应的头的大小int grow = skb_gro_offset(skb) - skb_headlen(skb);BUG_ON(skb->end - skb->tail < grow);//开始拷贝memcpy(skb_tail_pointer(skb), NAPI_GRO_CB(skb)->frag0, grow);skb->tail += grow;skb->data_len -= grow;//更新对应的frags[0]skb_shinfo(skb)->frags[0].page_offset += grow;skb_shinfo(skb)->frags[0].size -= grow;//如果size为0了，则说明第一个页全部包含头，因此需要将后面的页全部移动到前面。if (unlikely(!skb_shinfo(skb)->frags[0].size)) {put_page(skb_shinfo(skb)->frags[0].page);//开始移动。memmove(skb_shinfo(skb)->frags,skb_shinfo(skb)->frags + 1,--skb_shinfo(skb)->nr_frags * sizeof(skb_frag_t));}}ok:return ret;normal:ret = GRO_NORMAL;goto pull;}

接下来就是inet_gro_receive，这个函数是ip层的gro receive回调函数，函数很简单，首先取得ip头，然后判断是否需要从frag复制数据，如果需要则复制数据

//得到偏移off = skb_gro_offset(skb);//得到头的整个长度(mac+ip)hlen = off + sizeof(*iph);//得到ip头iph = skb_gro_header_fast(skb, off);//是否需要复制if (skb_gro_header_hard(skb, hlen)) {iph = skb_gro_header_slow(skb, hlen, off);if (unlikely(!iph))goto out;}

然后就是一些校验工作，比如协议是否支持gro_reveive,ip头是否合法等等

proto = iph->protocol & (MAX_INET_PROTOS - 1);rcu_read_lock();ops = rcu_dereference(inet_protos[proto]);//是否支持groif (!ops || !ops->gro_receive)goto out_unlock;//ip头是否合法if (*(u8 *)iph != 0x45)goto out_unlock;//ip头教研if (unlikely(ip_fast_csum((u8 *)iph, iph->ihl)))goto out_unlock;

然后就是核心的处理部分，它会遍历整个gro_list,然后进行same_flow和是否需要flush的判断。

这里ip层设置same_flow是根据下面的规则的:
1 4层的协议必须相同
2 tos域必须相同
3 源，目的地址必须相同

如果3个条件一个不满足，则会设置same_flow为0。
这里还有一个就是判断是否需要flush 对应的skb到协议栈，这里的判断条件是这样子的。
1 ip包的ttl不一样
2 ip包的id顺序不对
3 如果是切片包

如果上面两个条件某一个满足，则说明skb需要被flush出gro。

不过这里要注意只有两个数据包是same flow的情况下，才会进行flush判断。原因很简单，都不是有可能进行merge的包，自然没必要进行flush了。

//取出idid = ntohl(*(__be32 *)&iph->id);//判断是否需要切片flush = (u16)((ntohl(*(__be32 *)iph) ^ skb_gro_len(skb)) | (id ^ IP_DF));id >>= 16;//开始遍历gro listfor (p = *head; p; p = p->next) {struct iphdr *iph2;//如果上一层已经不可能same flow则直接继续下一个if (!NAPI_GRO_CB(p)->same_flow)continue;//取出ip头iph2 = ip_hdr(p);//开始same flow的判断if ((iph->protocol ^ iph2->protocol) |    (iph->tos ^ iph2->tos) |    ((__force u32)iph->saddr ^ (__force u32)iph2->saddr) |    ((__force u32)iph->daddr ^ (__force u32)iph2->daddr)) {NAPI_GRO_CB(p)->same_flow = 0;continue;}//开始flush的判断。这里注意如果不是same_flow的话，就没必要进行flush的判断。/* All fields must match except length and checksum. */NAPI_GRO_CB(p)->flush |=(iph->ttl ^ iph2->ttl) |((u16)(ntohs(iph2->id) + NAPI_GRO_CB(p)->count) ^ id);NAPI_GRO_CB(p)->flush |= flush;}NAPI_GRO_CB(skb)->flush |= flush;//pull ip头进gro，这里更新data_offsetskb_gro_pull(skb, sizeof(*iph));//设置传输层的头的位置skb_set_transport_header(skb, skb_gro_offset(skb));//调用传输层的reveive方法。pp = ops->gro_receive(head, skb);out_unlock:rcu_read_unlock();out:NAPI_GRO_CB(skb)->flush |= flush;}

然后就是tcp层的gro方法，它的主要实现函数是tcp_gro_receive，他的流程和inet_gro_receiv类似，就是取得tcp的头，然后对gro list进行遍历，最终会调用合并方法。

首先来看gro list遍历的部分,它对same flow的要求就是source必须相同，如果不同则设置same flow为0.如果相同则跳到found部分，进行合并处理。

//遍历gro listfor (; (p = *head); head = &p->next) {//如果ip层已经不可能same flow则直接进行下一次匹配if (!NAPI_GRO_CB(p)->same_flow)continue;th2 = tcp_hdr(p);//判断源地址if (*(u32 *)&th->source ^ *(u32 *)&th2->source) {NAPI_GRO_CB(p)->same_flow = 0;continue;}goto found;}

接下来就是当找到能够合并的skb的时候的处理，这里首先来看flush的设置,这里会有4个条件：
1 拥塞状态被设置(TCP_FLAG_CWR).
2 tcp的ack的序列号不匹配 (这是肯定的，因为它只是对tso或者说gso进行反向操作)
3 skb的flag和从gro list中查找到要合并skb的flag 如果他们中的不同位 不包括TCP_FLAG_CWR | TCP_FLAG_FIN | TCP_FLAG_PSH，这三个任意一个域。
4 tcp的option域不同

如果上面4个条件有一个满足，则会设置flush为1，也就是找到的这个skb(gro list中)必须被刷出到协议栈。

这里谈一下flags域的设置问题首先如果当前的skb设置了cwr，也就是发生了拥塞，那么自然前面被缓存的数据包需要马上被刷到协议栈，以便与tcp的拥塞控制马上进行。

而FIN和PSH这两个flag自然不需要一致，因为这两个和其他的不是互斥的。

found:flush = NAPI_GRO_CB(p)->flush;//如果设置拥塞，则肯定需要刷出skb到协议栈flush |= (__force int)(flags & TCP_FLAG_CWR);//如果相差的域是除了这3个中的，就需要flush出skbflush |= (__force int)((flags ^ tcp_flag_word(th2)) &  ~(TCP_FLAG_CWR | TCP_FLAG_FIN | TCP_FLAG_PSH));//ack的序列号必须一致flush |= (__force int)(th->ack_seq ^ th2->ack_seq);//tcp的option头必须一致for (i = sizeof(*th); i < thlen; i += 4)flush |= *(u32 *)((u8 *)th + i) ^ *(u32 *)((u8 *)th2 + i);mss = skb_shinfo(p)->gso_size;flush |= (len - 1) >= mss;flush |= (ntohl(th2->seq) + skb_gro_len(p)) ^ ntohl(th->seq);//如果flush有设置则不会调用 skb_gro_receive，也就是不需要进行合并，否则调用skb_gro_receive进行数据包合并if (flush || skb_gro_receive(head, skb)) {mss = 1;goto out_check_final;}p = *head;th2 = tcp_hdr(p);//更新p的头。到达这里说明合并完毕，因此需要更新合并完的新包的头。tcp_flag_word(th2) |= flags & (TCP_FLAG_FIN | TCP_FLAG_PSH);

从上面我们可以看到如果tcp的包被设置了一些特殊的flag比如PSH，SYN这类的就必须马上把数据包刷出到协议栈。

下面就是最终的一些flags判断,比如第一个数据包进来都会到这里来判断。

out_check_final:flush = len < mss;//根据flag得到flushflush |= (__force int)(flags & (TCP_FLAG_URG | TCP_FLAG_PSH |TCP_FLAG_RST | TCP_FLAG_SYN |TCP_FLAG_FIN));if (p && (!NAPI_GRO_CB(skb)->same_flow || flush))pp = head;out:NAPI_GRO_CB(skb)->flush |= flush;

这里要知道每次我们只会刷出gro list中的一个skb节点，这是因为每次进来的数据包我们也只会匹配一个。因此如果遇到需要刷出的数据包，会在dev_gro_receive中先刷出gro list中的，然后再将当前的skb feed进协议栈。

最后就是gro最核心的一个函数skb_gro_receive，它的主要工作就是合并，它有2个参数，第一个是gro list中和当前处理的skb是same flow的skb，第二个就是我们需要合并的skb。

这里要注意就是farg_list,其实gro对待skb_shared_info和ip层切片，组包很类似，就是frags放Scatter-Gather I/O的数据包，frag_list放线性数据。这里gro 也是这样的，如果过来的skb支持Scatter-Gather I/O并且数据是只放在frags中，则会合并frags，如果过来的skb不支持Scatter-Gather I/O(数据头还是保存在skb中)，则合并很简单，就是新建一个skb然后拷贝当前的skb，并将gro list中的skb直接挂载到farg_list。

先来看支持Scatter-Gather I/O的处理部分。

//一些需要用到的变量struct sk_buff *p = *head;struct sk_buff *nskb;//当前的skb的 share_inostruct skb_shared_info *skbinfo = skb_shinfo(skb);//当前的gro list中的要合并的skb的share_infostruct skb_shared_info *pinfo = skb_shinfo(p);unsigned int headroom;unsigned int len = skb_gro_len(skb);unsigned int offset = skb_gro_offset(skb);unsigned int headlen = skb_headlen(skb);//如果有frag_list的话，则直接去非Scatter-Gather I/O部分处理，也就是合并到frag_list.if (pinfo->frag_list)goto merge;else if (headlen <= offset) {//支持Scatter-Gather I/O的处理skb_frag_t *frag;skb_frag_t *frag2;int i = skbinfo->nr_frags;//这里遍历是从后向前。int nr_frags = pinfo->nr_frags + i;offset -= headlen;if (nr_frags > MAX_SKB_FRAGS)return -E2BIG;//设置pinfo的frags的大小，可以看到就是加上skb的frags的大小pinfo->nr_frags = nr_frags;skbinfo->nr_frags = 0;frag = pinfo->frags + nr_frags;frag2 = skbinfo->frags + i;//遍历赋值，其实就是地址赋值，这里就是将skb的frag加到pinfo的frgas后面。do {*--frag = *--frag2;} while (--i);//更改page_offet的值frag->page_offset += offset;//修改size大小frag->size -= offset;//更新skb的相关值skb->truesize -= skb->data_len;skb->len -= skb->data_len;skb->data_len = 0;NAPI_GRO_CB(skb)->free = 1;//最终完成goto done;} else if (skb_gro_len(p) != pinfo->gso_size)return -E2BIG;

这里gro list中的要被合并的skb我们叫做skb_s.

接下来就是不支持支持Scatter-Gather I/O(skb的头放在skb中)的处理。这里处理也比较简单，就是复制一个新的nskb，然后它的头和skb_s一样，然后将skb_s挂载到nskb的frag_list上，并且把新建的nskb挂在到gro list中，代替skb_s的位置，而当前的skb

headroom = skb_headroom(p);nskb = alloc_skb(headroom + skb_gro_offset(p), GFP_ATOMIC);if (unlikely(!nskb))return -ENOMEM;//复制头__copy_skb_header(nskb, p);nskb->mac_len = p->mac_len;skb_reserve(nskb, headroom);__skb_put(nskb, skb_gro_offset(p));//设置各层的头skb_set_mac_header(nskb, skb_mac_header(p) - p->data);skb_set_network_header(nskb, skb_network_offset(p));skb_set_transport_header(nskb, skb_transport_offset(p));__skb_pull(p, skb_gro_offset(p));//复制数据memcpy(skb_mac_header(nskb), skb_mac_header(p),       p->data - skb_mac_header(p));//对应的gro 域的赋值*NAPI_GRO_CB(nskb) = *NAPI_GRO_CB(p);//可以看到frag_list被赋值skb_shinfo(nskb)->frag_list = p;skb_shinfo(nskb)->gso_size = pinfo->gso_size;pinfo->gso_size = 0;skb_header_release(p);nskb->prev = p;//更新新的skb的数据段nskb->data_len += p->len;nskb->truesize += p->len;nskb->len += p->len;//将新的skb插入到gro list中*head = nskb;nskb->next = p->next;p->next = NULL;p = nskb;merge:if (offset > headlen) {skbinfo->frags[0].page_offset += offset - headlen;skbinfo->frags[0].size -= offset - headlen;offset = headlen;}__skb_pull(skb, offset);//将skb插入新的skb的(或者老的skb，当frag list本身存在)fraglistp->prev->next = skb;p->prev = skb;skb_header_release(skb);