数据包接收系列 — 上半部实现（内核接口）

本文主要内容：网络数据包接收的上半部实现，主要分析内核接口相关部分。

内核版本：2.6.37

Author：zhangskd @ csdn blog

 

上半部的实现

 

接收数据包的上半部处理流程为：

el_interrupt() // 网卡驱动

    |--> el_receive() // 网卡驱动

                |--> netif_rx() // 内核接口

                           |--> enqueue_to_backlog() // 内核接口

 

我们已经分析了网卡驱动相关部分，现在来看下内核接口相关部分：）

 

netif_rx

 

netif_rx()是内核接收网络数据包的入口（目前多数网卡支持新的接口NAPI，后续文章会分析）。

netif_rx()主要调用enqueue_to_backlog()进行后续处理。

/** * netif_rx - post buffer to the network code * @skb: buffer to post * This function receives a packet from a device and queues it for the upper (protocol) * levels to process. It always succeeds. The buffer may be dropped during processing * for congestion control or by the protocol layers. * return values: * NET_RX_SUCCESS (no congestion) * NET_RX_DROP (packet was dropped) */int netif_rx(struct sk_buff *skb){    int ret;    /* if netpoll wants it, pretend we never saw it */    if (netpoll_rx(skb))        return NET_RX_DROP;    /* 记录接收时间到skb->tstamp */    if (netdev_tstamp_prequeue)       net_timestamp_check(skb);   trace_netif_rx(skb);#ifdef CONFIG_RPS    /* 暂不考虑RPS，后续再分析 */    ...#else    {        unsigned int qtail;        ret = enqueue_to_backlog(skb, get_cpu(), &qtail);        put_cpu();    }#endif    return ret;}

 

softnet_data

 

每个cpu都有一个softnet_data实例，用于收发数据包。

/* Incoming packets are placed on per-cpu queues */struct softnet_data {    struct Qdisc *output_queue; /* 输出包队列 */    struct Qdisc **output_queue_tailp;      /* 其中设备是处于轮询状态的，即入口队列有新的帧等待处理 */    struct list_head poll_list;    struct sk_buff *completion_queue; /* 成功传输的数据包队列 */        /* 处理队列，把input_pkt_queue接入 */    struct sk_buff_head process_queue;    /* stats */    unsigned int processed; /* 处理过的数据包个数 */    unsigned int time_squeeze; /* poll受限于允许的时间或数据包个数 */    unsigned int cpu_collision;    unsigned int received_rps;#ifdef CONFIG_RPS    /* 暂不研究RPS */    ...#endif    unsigned dropped; /* 因输入队列满而丢包的个数 */    /* 输入队列，保存接收到的数据包。     * 非NAPI使用，支持NAPI的网卡驱动有自己的私有队列。     */    struct sk_buff_head input_pkt_queue;    struct napi_struct backlog; /* 虚拟设备，非NAPI设备共用 */};

 

定义

/* Device drivers call our routines to queue packets here. * We empty the queue in the local softnet handler. */DEFINE_PER_CPU_ALIGNED(struct softnet_data, softnet_data);EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(softnet_data);

 

初始化

/* Initialize the DEV module. At boot time this walks the device list and * unhooks any devices that fail to initialise (normally hardware not present) * and leaves us with a valid list of present and active devices. * * This is called single threaded during boot, so no need to take the rtnl semaphore. */static int __init net_dev_init(void){    ...    /* Initialise the packet receive queues.     * 初始化每个cpu的softnet_data实例。     */    for_each_possible_cpu(i) {        struct softnet_data *sd = &per_cpu(softnet_data, i);        memset(sd, 0, sizeof(*sd));        skb_queue_head_init(&sd->input_pkt_queue);        skb_queue_head_init(&sd->process_queue);        sd->completion_queue = NULL;        INIT_LIST_HEAD(&sd->poll_list);        sd->output_queue = NULL;        sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;#ifdef CONFIG_RPS        ...#endif        sd->backlog.poll = process_backlog; /* 非NAPI的默认轮询函数 */        sd->backlog.weight = weight_p; /* 64，每次轮询处理数据包个数上限 */        sd->backlog.gro_list = NULL;        sd->backlog.gro_count = 0;    }    ...    /* 注册软中断处理函数 */    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);    ...}

 

enqueue_to_backlog

 

netif_rx()调用enqueue_to_backlog()来处理。

首先获取当前cpu的softnet_data实例sd，然后：

1. 如果接收队列sd->input_pkt_queue不为空，说明已经有软中断在处理数据包了，

    则不需要再次触发软中断，直接将数据包添加到接收队列尾部即可。

2. 如果接收队列sd->input_pkt_queue为空，说明当前没有软中断在处理数据包，

    则把虚拟设备backlog添加到sd->poll_list中以便进行轮询，最后设置NET_RX_SOFTIRQ

    标志触发软中断。

3. 如果接收队列sd->input_pkt_queue满了，则直接丢弃数据包。

/* queue an skb to a per CPU backlog queue (may be a remote CPU queue). */static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu, unsigned int *qtail){    struct softnet_data *sd;    unsigned long flags;    sd = &per_cpu(softnet_data, cpu); /* 获取当前cpu上的softnet_data实例 */    local_irq_save(flags); /* 禁止本地中断 */    rps_lock(sd);    if (skb_queue_len(&sd->input_pkt_queue) <= netdev_max_backlog) {        /* 如果接收队列不为空，则说明已经有软中断在处理数据包了，         * 则不需要再次触发软中断，直接将数据包添加到接收队列尾部即可。         */        if (skb_queue_len(&sd->input_pkt_queue)) {enqueue:            __skb_queue_tail(&sd->input_pkt_queue, skb); /* 添加到接收队列尾部 */            input_queue_tail_incr_save(sd, qtail);            rps_unlock(sd);            local_irq_restore(flags); /* 恢复本地中断 */            return NET_RX_SUCCESS;        }        /* Schedule NAPI for backlog device.         * 如果接收队列为空，说明当前没有软中断在处理数据包，         * 把虚拟设备backlog添加到sd->poll_list中以便进行轮询，         * 最后设置NET_RX_SOFTIRQ标志触发软中断。         */        if (! __test_and_set_bit(NAPT_STATE_SCHED, &sd->backlog.state)) {            if (! rps_ipi_queued(sd))                ____napi_schedule(sd, &sd->backlog);        }        goto enqueue;    }    sd->dropped++; /* 如果接收队列满了就直接丢弃 */    rps_unlock(sd);    local_irq_restore(flags); /* 恢复本地中断 */    atomic_long_inc(&skb->dev->rx_dropped);    kfree_skb(skb); /* 释放数据包 */    return NET_RX_DROP;}int netdev_tstamp_prequeue = 1; /* 记录接收时间 */int netdev_max_backlog = 1000; /* 接收队列的最大长度 */

 

napi_struct代表一个虚拟设备，用于兼容非NAPI的驱动。

/* Structure for NAPI scheduling similar to tasklet but with weighting */struct napi_struct {    /* The poll_list must only be managed by the entity which changes the     * state of the NAPI_STATE_SCHED bit. This means whoever atomically     * sets that bit can add this napi_struct to the per-cpu poll_list, and     * whoever clears that bit can remove from the list right before clearing the bit.     */    struct list_head poll_list; /* 用于加入处于轮询状态的设备队列 */    unsigned long state; /* 虚拟设备的状态 */    int weight; /* 每次处理的最大数量，非NAPI为weight_p，默认为64 */    int (*poll) (struct napi_struct *, int); /* 此设备的轮询方法，默认为process_backlog() */#ifdef CONFIG_NETPOLL    ...#endif    unsigned int gro_count;    struct net_device *dev;    struct list_head dev_list;    struct sk_buff *gro_list;    struct sk_buff *skb;};

static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd, struct napi_struct *napi){    /* 把napi_struct添加到softnet_data的poll_list中 */    list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); /* 设置软中断标志位 */}