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renyuan000

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1、刚工作时做Linux 流控；后来做安全操作系统；再后来做操作系统加固；现在做TCP 加速。唉！没离开过类Unix！！！但是水平有限。。

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Linux内核中RPS/RFS代码分析

分类： 网络与安全

2015-06-07 13:27:43

原文地址：Linux内核中RPS/RFS代码分析 作者：frankzfz

netdev_rx_queue表示对应的接收队列，很多网卡硬件上已经支持多个队列，此时就会有多个netdev_rx_queue队列，这个结构是挂在net_device，初始化接收队列的函数：netif_alloc_rx_queues

netif_alloc_rx_queues

  1. static int netif_alloc_rx_queues(struct net_device *dev)
  2. {
  3. /*获取接收队列的个数*/
  4.     unsigned int i, count = netdev_extended(dev)->rps_data.num_rx_queues;
  5.     struct netdev_rx_queue *rx;

  7.     BUG_ON(count < 1);
  8.  /*分配netdev_rx_queue 空间*/
  9.     rx = kcalloc(count, sizeof(struct netdev_rx_queue), GFP_KERNEL);
  10.     if (!rx) {
  11.         pr_err("netdev: Unable to allocate %u rx queues.\n", count);
  12.         return -ENOMEM;
  13.     }
  14.  /* netdev_rx_queue 和net_device关联起来。*/
  15.     netdev_extended(dev)->rps_data._rx = rx;
  16.  /*对netdev_rx_queue 中net_device进行赋值操作*/
  17.     for (i = 0; i < count; i++)
  18.         rx[i].dev = dev;
  19.     return 0;
  20. }

  22.     struct netdev_rx_queue {
  23.     /*保存当前队列的rps map*/
  24.     struct rps_map *rps_map;
  25. /* //每个设备的队列保存了一个rps_dev_flow_table */    
  26. struct rps_dev_flow_table *rps_flow_table;
  27. //对应的kobject
  28.     struct kobject kobj;
  29. /*所属的net_device*/
  30.     struct net_device *dev;
  31. } ____cacheline_aligned_in_smp;


  34. struct rps_map {
  35. /*CPU的个数，也就是CPU数组的个数*/
  36.     unsigned int len;
  37.     struct rcu_head rcu;
  38. /*保存了CPU的ID*/
  39.     u16 cpus[0];
  40. };

get_rps_cpu

  1. static int get_rps_cpu(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb,
  2.          struct rps_dev_flow **rflowp)
  3. {
  4.     struct ipv6hdr *ip6;
  5.     struct iphdr *ip;
  6.     struct netdev_rx_queue *rxqueue;
  7.     struct rps_map *map;
  8.     struct rps_dev_flow_table *flow_table;
  9.     struct rps_sock_flow_table *sock_flow_table;
  10.     struct netdev_rps_info *rpinfo = &netdev_extended(dev)->rps_data;
  11.     int cpu = -1;
  12.     int tcpu;
  13.     u8 ip_proto;
  14.     u32 addr1, addr2, ports, ihl;

  16.     rcu_read_lock();

  18.     if (skb_rx_queue_recorded(skb)) {
  19. /*获取设备对应的rx队列。*/
  20.         u16 index = skb_get_rx_queue(skb);
  21.         if (unlikely(index >= rpinfo->num_rx_queues)) {
  22.             WARN_ONCE(rpinfo->num_rx_queues > 1, "%s received packet "
  23.                 "on queue %u, but number of RX queues is %u\n",
  24.                 dev->name, index, rpinfo->num_rx_queues);
  25.             goto done;
  26.         }
  27.         rxqueue = rpinfo->_rx + index;
  28.     } else
  29.         rxqueue = rpinfo->_rx;

  31.     if (!rxqueue->rps_map && !rxqueue->rps_flow_table)
  32.         goto done;

  34.     if (skb->rxhash) //如果硬件已经计算过，则直接跳过，不需要计算HASH值
  35.         goto got_hash; /* Skip hash computation on packet header */

  37.     switch (skb->protocol) { /*根据不同的IP协议获取源IP和目的IP*/
  38.     case __constant_htons(ETH_P_IP):
  39.         if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(*ip)))
  40.             goto done;

  42.         ip = (struct iphdr *) skb->data;
  43.         ip_proto = ip->protocol;
  44.         addr1 = ip->saddr;
  45.         addr2 = ip->daddr;
  46.         ihl = ip->ihl;
  47.         break;
  48.     case __constant_htons(ETH_P_IPV6):
  49.         if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(*ip6)))
  50.             goto done;

  52.         ip6 = (struct ipv6hdr *) skb->data;
  53.         ip_proto = ip6->nexthdr;
  54.         addr1 = ip6->saddr.s6_addr32[3];
  55.         addr2 = ip6->daddr.s6_addr32[3];
  56.         ihl = (40 >> 2);
  57.         break;
  58.     default:
  59.         goto done;
  60.     }
  61.     ports = 0;
  62.     switch (ip_proto) {
  63.     case IPPROTO_TCP:
  64.     case IPPROTO_UDP:
  65.     case IPPROTO_DCCP:
  66.     case IPPROTO_ESP:
  67.     case IPPROTO_AH:
  68.     case IPPROTO_SCTP:
  69.     case IPPROTO_UDPLITE:
  70.         if (pskb_may_pull(skb, (ihl * 4) + 4))
  71.             ports = *((u32 *) (skb->data + (ihl * 4))); /*获取四层协议的端口号，tcp头的前4个字节就是源和目的端口，因此这里跳过ip头得到tcp头的前4个字节*/
  72.         break;

  74.     default:
  75.         break;
  76.     }
  77.  /*根据获取到的SIP和DIP，PORT计算HSAH值，*/
  78.     skb->rxhash = jhash_3words(addr1, addr2, ports, hashrnd) >> 16;
  79.     if (!skb->rxhash)
  80.         skb->rxhash = 1;

  82. got_hash:
  83. /* rps_sock_flow_table和rps_dev_flow_table 是为了解决RFS而添加的两张表，rps_sock_flow_table是一个全局的hash表，这个表针对socket的，映射了socket对应的cpu，这里的cpu就是应用层期待软中断所在的cpu ，rps_dev_flow_table,这个是针对设备的，每个设备队列都含有一个rps_dev_flow_table(这个表主要是保存了上次处理相同链接上的skb所在的cpu),这个hash表中每一个元素包含了一个cpu id，一个tail queue的计数器*/
  84.     flow_table = rcu_dereference(rxqueue->rps_flow_table);
  85.     sock_flow_table = rcu_dereference(rps_sock_flow_table);
  86.     if (flow_table && sock_flow_table) {
  87.         u16 next_cpu;
  88.         struct rps_dev_flow *rflow;

  90.         rflow = &flow_table->flows[skb->rxhash & flow_table->mask];
  91.         tcpu = rflow->cpu;

  93.         next_cpu = sock_flow_table->ents[skb->rxhash &
  94.          sock_flow_table->mask];

  96.         /*首先会得到两个flow table，一个是sock_flow_table,另一个是设备的rps_flow_table(skb对应的设备队列中对应的flow table)，这里的逻辑是这样子的取出来两个cpu，一个是根据rps计算数据包前一次被调度过的cpu(tcpu)，一个是应用程序期望的cpu(next_cpu)，然后比较这两个值，如果 1 tcpu未设置(等于RPS_NO_CPU） 2 tcpu是离线的 3 tcpu的input_queue_head大于rps_flow_table中的last_qtail 的话就调度这个skb到next_cpu.而这里第三点input_queue_head大于rps_flow_table则说明在当前的dev flow table中的数据包已经发送完毕，否则的话为了避免乱序就还是继续使用tcpu
  97.          * If the desired CPU (where last recvmsg was done) is
  98.          * different from current CPU (one in the rx-queue flow
  99.          * table entry), switch if one of the following holds:
  100.          * - Current CPU is unset (equal to RPS_NO_CPU).
  101.          * - Current CPU is offline.
  102.          * - The current CPU's queue tail has advanced beyond the
  103.          * last packet that was enqueued using this table entry.
  104.          * This guarantees that all previous packets for the flow
  105.          * have been dequeued, thus preserving in order delivery.
  106.          */
  107.         if (unlikely(tcpu != next_cpu) &&
  108.          (tcpu == RPS_NO_CPU || !cpu_online(tcpu) ||
  109.          ((int)(per_cpu(softnet_data, tcpu).input_queue_head -
  110.          rflow->last_qtail)) >= 0)) {
  111.             tcpu = rflow->cpu = next_cpu;
  112.             if (tcpu != RPS_NO_CPU)
  113.                 rflow->last_qtail = per_cpu(softnet_data,
  114.                  tcpu).input_queue_head;
  115.         }
  116.         if (tcpu != RPS_NO_CPU && cpu_online(tcpu)) {
  117.             *rflowp = rflow;
  118.  /*设置返回的CPU*/
  119.             cpu = tcpu;
  120.             goto done;
  121.         }
  122.     }
  123. /*当第一次进来时tcpu是RPS_NO_CPU,并且next_cpu也是RPS_NO_CPU，此时会导致跳过rfs处理，而是直接使用rps的处理, */
  124.     map = rcu_dereference(rxqueue->rps_map);
  125.     if (map) {
  126.         tcpu = map->cpus[((u32) (skb->rxhash * map->len)) >> 16];
  127. /*如果cpu是online的，则返回计算出的这个cpu */
  128.         if (cpu_online(tcpu)) {
  129.             cpu = tcpu;
  130.             goto done;
  131.         }
  132.     }

  134. done:
  135.     rcu_read_unlock();
  136.     return cpu;
  137. }

  139. /*将skb挂在到对应cpu的input queue上的, enqueue_to_backlog接受一个skb和cpu为参数，通过cpu来判断skb如何处理。要么加入所属的input_pkt_queue中，要么schecule 软中断*/

enqueue_to_backlog

  1. static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu,
  2.              unsigned int *qtail)
  3. {
  4.     struct softnet_data *queue;
  5.     unsigned long flags;
  6.    /*根据传递过来的CPU，获取softnet_data结构体*/
  7.     queue = &per_cpu(softnet_data, cpu);

  9.     local_irq_save(flags);
  10.     __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;

  12.     spin_lock(&queue->input_pkt_queue.lock);
  13.     if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
  14.         if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
  15. enqueue:/*将数据包添加到input_pkt_queue队列中*/
  16.             __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
  17.             *qtail = queue->input_queue_head +
  18.                  queue->input_pkt_queue.qlen;

  20.             spin_unlock_irqrestore(&queue->input_pkt_queue.lock,
  21.              flags);
  22.             return NET_RX_SUCCESS;
  23.         }

  25.         /* Schedule NAPI for backlog device 可以调度软中断*/
  26.         if (napi_schedule_prep(&queue->backlog)) {
  27.             if (cpu != smp_processor_id()) {/*判断该SKB是否该CPU处理*/
  28.                 struct rps_remote_softirq_cpus *rcpus =
  29.                  &__get_cpu_var(rps_remote_softirq_cpus);

  31.                 cpu_set(cpu, rcpus->mask[rcpus->select]);
  32.                 __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
  33.             } else
  34. /*应该当前cpu处理，则直接schedule 软中断，这里可以看到传递进去的是backlog */
  35.                 ____napi_schedule(queue, &queue->backlog);
  36.         }
  37.         goto enqueue;
  38.     }

  40.     spin_unlock(&queue->input_pkt_queue.lock);

  42.     __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
  43.     local_irq_restore(flags);

  45.     kfree_skb(skb);
  46.     return NET_RX_DROP;
  47. }

enqueue_to_backlog

  1. static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu,
  2.              unsigned int *qtail)
  3. {
  4.     struct softnet_data *queue;
  5.     unsigned long flags;
  6.    /*根据传递过来的CPU，获取softnet_data结构体*/
  7.     queue = &per_cpu(softnet_data, cpu);

  9.     local_irq_save(flags);
  10.     __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;

  12.     spin_lock(&queue->input_pkt_queue.lock);
  13.     if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
  14.         if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
  15. enqueue:/*将数据包添加到input_pkt_queue队列中*/
  16.             __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
  17.             *qtail = queue->input_queue_head +
  18.                  queue->input_pkt_queue.qlen;

  20.             spin_unlock_irqrestore(&queue->input_pkt_queue.lock,
  21.              flags);
  22.             return NET_RX_SUCCESS;
  23.         }

  25.         /* Schedule NAPI for backlog device 可以调度软中断*/
  26.         if (napi_schedule_prep(&queue->backlog)) {
  27.             if (cpu != smp_processor_id()) {/*判断该SKB是否该CPU处理*/
  28.                 struct rps_remote_softirq_cpus *rcpus =
  29.                  &__get_cpu_var(rps_remote_softirq_cpus);

  31.                 cpu_set(cpu, rcpus->mask[rcpus->select]);
  32.                 __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
  33.             } else
  34. /*应该当前cpu处理，则直接schedule 软中断，这里可以看到传递进去的是backlog */
  35.                 ____napi_schedule(queue, &queue->backlog);
  36.         }
  37.         goto enqueue;
  38.     }

  40.     spin_unlock(&queue->input_pkt_queue.lock);

  42.     __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
  43.     local_irq_restore(flags);

  45.     kfree_skb(skb);
  46.     return NET_RX_DROP;
  47. }

inet_recvmsg

  1. int inet_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
  2.          size_t size, int flags)
  3. {
  4.     struct sock *sk = sock->sk;
  5.     int addr_len = 0;
  6.     int err;

  8.     inet_rps_record_flow(sk);//设置HASH表

  10.     err = sk->sk_prot->recvmsg(iocb, sk, msg, size, flags & MSG_DONTWAIT,
  11.                  flags & ~MSG_DONTWAIT, &addr_len);
  12.     if (err >= 0)
  13.         msg->msg_namelen = addr_len;
  14.     return err;
  15. }

这个函数主要是得到全局的rps_sock_flow_table，然后调用rps_record_sock_flow来对rps_sock_flow_table进行设置，这里会将socket的sk_rxhash传递进去当作hash的索引，而这个sk_rxhash其实就是skb里面的rxhash，skb的rxhash就是rps中设置的hash值，这个值是根据四元组进行hash的。这里用这个当索引一个是为了相同的socket都能落入一个index。而且下面的软中断上下文也比较容易存取这个hash表

inet_rps_record_flow

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  1. static inline void inet_rps_record_flow(struct sock *sk)
  2. {
  3.     struct rps_sock_flow_table *sock_flow_table;

  5.     rcu_read_lock();
  6.     sock_flow_table = rcu_dereference(rps_sock_flow_table);
  7.     rps_record_sock_flow(sock_flow_table, inet_sk_rxhash(sk));
  8.     rcu_read_unlock();
  9. }

rps_record_sock_flow

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  1. static inline void rps_record_sock_flow(struct rps_sock_flow_table *table,
  2.                     u32 hash)
  3. {
  4.     if (table && hash) {
  5. /*获取索引*/
  6.         unsigned int cpu, index = hash & table->mask;

  8.         /* We only give a hint, preemption can change cpu under us 获取CPU */
  9.         cpu = raw_smp_processor_id();
  10.  /*保存对应的cpu,如果等于当前cpu，则说明已经设置过了*/
  11.         if (table->ents[index] != cpu)
  12.             table->ents[index] = cpu;
  13.     }
  14. }


    图：内核代码流程
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