网络子系统在链路层的收发过程剖析

http://bbs.chinaunix.net/thread-2141004-1-1.html

1），Skb_buff


/* To allow 64K frame to be packed as single skb without frag_list */
#define MAX_SKB_FRAGS (65536/PAGE_SIZE + 2)

typedef struct skb_frag_struct skb_frag_t;

struct skb_frag_struct {
        struct page *page;
        __u16 page_offset;
        __u16 size;
};

/* This data is invariant across clones and lives at
* the end of the header data, ie. at skb->end.
*/
struct skb_shared_info {
        atomic_t        dataref;
        unsigned short        nr_frags;
        unsigned short        gso_size;
        /* Warning: this field is not always filled in (UFO)! */
        unsigned short        gso_segs;
        unsigned short  gso_type;
        unsigned int    ip6_frag_id;
        struct sk_buff        *frag_list;
        skb_frag_t        frags[MAX_SKB_FRAGS];
};


Skb比较复杂的部分在于skb_shared_info部分，alloc_skb()在为数据分配空间的时候，会在这个数据的末尾加上一个skb_shared_info结构，这个结构就是用于scatter/gather IO的实现的。它主要用于提高性能，避免数据的多次拷贝。例如，当用户用sendmsg分送一个数组结构的数据时，这些数据在物理可能是不连续的（大多数情况），在不支持scatter/gather IO的网卡上，它只能通过重新拷贝，将它重装成连续的skb（skb_linearize）,才可以进行DMA操作。而在支持S/G IO上，它就省去了这次拷贝。




4），数据包的接收

* Incoming packets are placed on per-cpu queues so that
* no locking is needed.
*/
struct softnet_data
{
        struct net_device        *output_queue;
        struct sk_buff_head        input_pkt_queue;
        struct list_head        poll_list;
        struct sk_buff                *completion_queue;

        struct net_device        backlog_dev;        /* Sorry.  */
#ifdef CONFIG_NET_DMA
        struct dma_chan                *net_dma;
#endif
};

这个数据结构同时用于接收与发送数据包，它为per_CPU结构，这样每个CPU有自己独立的信息，这样在SMP之间就避免了加锁操作，从而大大提高了信息处理的并行性。

struct net_device        *output_queue;         
struct sk_buff                *completion_queue;
这两个域用于发送数据，将在下一节中描述。

struct sk_buff_head         input_pkt_queue;
struct list_head        poll_list;
struct net_device        backlog_dev; 
这三个域用于接收数据，其中input_pkt_queue与backlog_dev仅用于non-NAPI的NIC，input_pkt_queue是接收到的数据队列头，它用于netif_rx()中，并最终由虚拟的poll函数process_backlog()处理这个SKB队列。
poll_list则是有数据包等待处理的NIC设备队列。对于non-NAPI驱动来说，它始终是backlog_dev。

接收过程：
   当一个数据包到来时，NIC会产生一个中断，这时，它会执行中断处理全程。

(1), NON-NAPI方式：
如3c59x中的vortex_interrupt(),它会判断寄存器的值作出相应的动作：

                if (status & RxComplete)
                        vortex_rx(dev);
如上，当中断指示，有数据包在等待接收，这时，中断例程会调用接收函数vortex_rx(dev)接收新到来的包（如下，只保留核心部分）：

int pkt_len = rx_status & 0x1fff;
                        struct sk_buff *skb;

                        skb = dev_alloc_skb(pkt_len + 5);
                
                        if (skb != NULL) {
                                skb->dev = dev;
                                skb_reserve(skb, 2);        /* Align IP on 16 byte boundaries */
                                /* 'skb_put()' points to the start of sk_buff data area. */
                                if (vp->bus_master &&
                                        ! (ioread16(ioaddr + Wn7_MasterStatus) & 0x8000)) {
                                        dma_addr_t dma = pci_map_single(VORTEX_PCI(vp), skb_put(skb, pkt_len),
                                                                           pkt_len, PCI_DMA_FROMDEVICE);
                                        iowrite32(dma, ioaddr + Wn7_MasterAddr);
                                        iowrite16((skb->len + 3) & ~3, ioaddr + Wn7_MasterLen);
                                        iowrite16(StartDMAUp, ioaddr + EL3_CMD);
                                        while (ioread16(ioaddr + Wn7_MasterStatus) & 0x8000)
                                                ;
                                        pci_unmap_single(VORTEX_PCI(vp), dma, pkt_len, PCI_DMA_FROMDEVICE);
                        
                                }
                                iowrite16(RxDiscard, ioaddr + EL3_CMD); /* Pop top Rx packet. */
                                skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
                                netif_rx(skb);
                        
它首先为新到来的数据包分配一个skb结构及pkt_len+5大小的数据长度，然后便将接收到的数据从网卡复制到（DMA）这个SKB的数据部分中。最后，调用netif_rx(skb)进一步处理数据：

int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
        struct softnet_data *queue;
        unsigned long flags;

        /*
         * The code is rearranged so that the path is the most
         * short when CPU is congested, but is still operating.
         */
        local_irq_save(flags);
        queue = &__get_cpu_var(softnet_data);

        if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
                if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
enqueue:
                        dev_hold(skb->dev);
                        __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
                        local_irq_restore(flags);
                        return NET_RX_SUCCESS;
                }

                netif_rx_schedule(&queue->backlog_dev);
                goto enqueue;
        }
}

这段代码关键是，将这个SKB加入到相应的input_pkt_queue队列中，并调用netif_rx_schedule()，而对于NAPI方式，它没有使用input_pkt_queue队列，而是使用私有的队列，所以它没有这一个步骤。至此，中断的上半部已经完成，以下的工作则交由中断的下半部来实现。

void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
        unsigned long flags;

        local_irq_save(flags);
        dev_hold(dev);
        list_add_tail(&dev->poll_list, &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);
        if (dev->quota < 0)
                dev->quota += dev->weight;
        else
                dev->quota = dev->weight;
        __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
        local_irq_restore(flags);
}

netif_rx_schedule()就是将有等待接收数据包的NIC链入softnet_data的poll_list队列，然后触发软中断，让后半部去完成数据的处理工作。

注意：这里是否调用netif_rx_schedule()是有条件的，即当queue->input_pkt_queue.qlen==0时才会调用，否则由于这个队列的长度不为0，这个中断下半部的执行已由先前的中断触发，它会断续处理余下来的数据包的接收，所以，这里就不必要再次触发它的执行了。

总之，NON－NAPI的中断上半部接收过程可以简单的描述为，它首先为新到来的数据帧分配合适长度的SKB，再将接收到的数据从NIC中拷贝过来，然后将这个SKB链入当前CPU的softnet_data中的链表中，最后进一步触发中断下半部发继续处理。


(2), NAPI方式：

static irqreturn_t e100_intr(int irq, void *dev_id)
{

        if(likely(netif_rx_schedule_prep(netdev))) {
                e100_disable_irq(nic);
                __netif_rx_schedule(netdev);
        }

        return IRQ_HANDLED;
}
        
可以看到，两种方式的不同之处在于，NAPI方式直接调用__netif_rx_schedule()，而非NAPI方式则要通过辅助函数netif_rx()设置好接收队列再调用netif_rx_schedule()，再者，在非NAPI方式中，提交的是netif_rx_schedule(&queue->backlog_dev)，而NAPI中，提交的是__netif_rx_schedule(netdev)，即是设备驱动的net_device结构，而不是queue中的backlog_dev。


（3），net_rx_action()
        netif_rx_schedule()触发中断下半部的执行，这个下半部将执行net_rx_action()：

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
        struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
        unsigned long start_time = jiffies;

        local_irq_disable();

        while (!list_empty(&queue->poll_list)) {
                struct net_device *dev;

                local_irq_enable();

                dev = list_entry(queue->poll_list.next,
                                 struct net_device, poll_list);

                if (dev->quota <= 0 || dev->poll(dev, &budget)) {
                        … //出错处理
                } else {
                        netpoll_poll_unlock(have);
                        dev_put(dev);
                        local_irq_disable();
                }
}

由上可以看到，下半部的主要工作是遍历有数据帧等待接收的设备链表，对于每个设备，执行它相应的poll函数。

（4），poll函数
NON—NAPI方式：
        这种方式对应该的poll函数为process_backlog：

        struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
        for (; {

                local_irq_disable();
                skb = __skb_dequeue(&queue->input_pkt_queue);
                local_irq_enable();

                netif_receive_skb(skb);
}

它首先找到当前CPU的softnet_data结构，然后遍历其数据队SKB，并将数据上交netif_receive_skb(skb)处理。

NAPI方式：
        这种方式下，NIC驱动程序会提供自己的poll函数和私有接收队列。
如intel 8255x系列网卡程序e100,它有在初始化的时候首先分配一个接收队列，而不像以上那种方式在接收到数据帧的时候再为其分配数据空间。这样，NAPI的poll函数在处理接收的时候，它遍历的是自己的私有队列：

        static int e100_poll(struct net_device *netdev, int *budget)
{
        e100_rx_clean(nic, &work_done, work_to_do);
        ……
}

static void e100_rx_clean(struct nic *nic, unsigned int *work_done,
        unsigned int work_to_do)
{
        …….
        /* Indicate newly arrived packets */
        for(rx = nic->rx_to_clean; rx->skb; rx = nic->rx_to_clean = rx->next) {
                int err = e100_rx_indicate(nic, rx, work_done, work_to_do);
                if(-EAGAIN == err) {
                ……
        }
                ……
}

static int e100_rx_indicate(struct nic *nic, struct rx *rx,
        unsigned int *work_done, unsigned int work_to_do)
{
        struct sk_buff *skb = rx->skb;
        struct rfd *rfd = (struct rfd *)skb->data;
        rfd_status = le16_to_cpu(rfd->status);

        /* Get actual data size */
        actual_size = le16_to_cpu(rfd->actual_size) & 0x3FFF;

        /* Pull off the RFD and put the actual data (minus eth hdr) */
        skb_reserve(skb, sizeof(struct rfd));
        skb_put(skb, actual_size);
        skb->protocol = eth_type_trans(skb, nic->netdev);

        netif_receive_skb(skb);

        return 0;
}

主要工作在e100_rx_indicate()中完成，这主要重设SKB的一些参数，然后跟process_backlog(),一样，最终调用netif_receive_skb(skb)。