Linux网络子系统中GRO的实现

GRO （generic receive offload）

GRO是在协议栈接收报文时进行减负的一种处理方式，该方式在设计上考虑了多种协议报文。主要原理是在接收端通过把多个相关的报文（比如TCP分段报文）组装成一个大的报文后再传送给协议栈进行处理，因为内核协议栈对报文的处理都是对报文头部进行处理，如果相关的多个报文合并后只有一个报文头，这样就减少了协议栈处理报文个数，加快协议栈对报文的处理速度。

GRO功能对到本机的报文能起到一定的加速作用，但如果linux 运行在转发设备上，一般不需要使用GRO功能，这时使用GRO功能反而会降低处理速度。

GRO功能和只是针对NAPI类型的驱动，网卡驱动支持GRO要调用内核提供的GRO函数进行收包。并且该功能和网络设备硬件无关，是纯软件实现的。

设计需求：
1、需要根据一定的规则进行报文的合并。需要支持各种协议的合并规则。linux实现中是要求支持GRO功能的协议自己实现自己的合并函数，gro根据报文类型调用相应的合并函数。

2、对等待合并的报文应该进行缓存。等合并好后再送进协议栈进行处理。linux实现中在每个NAPI实例中放有一个等待合并的skb队列gro_list。

具体实现：
数据结构：
1、NAPI中GRO相关的字段：
struct napi_struct
{
    unsigned int    gro_count;  //gro_list 上挂的skb 个数。
    struct sk_buff  *gro_list; //等待合并的skb 链表
}

2、每个协议中定义自己的GRO接收合并函数和合并后处理函数。
接收合并函数定义：
struct sk_buff**(*gro_receive)(struct sk_buff **head,struct sk_buff *skb);
参数：
head:等待合并的skb链表头
skb：接收到的skb。
返回值：
如果为空，表示报文被合并后不需要现在送入协议栈。
如果不为空，表示返回的报文需要立即送入协议栈。

合并后处理函数定义：
int(*gro_complete)(struct sk_buff *skb);
该函数对合并好的报文进行进一步加工，比如更新校验和。

3、GRO功能使用skb结构体内私有空间cb[48]来存放gro所用到的一些信息。
定义结构体struct napi_gro_cb
struct   napi_gro_cb
{
    /*指向存在skb_shinfo(skb)->frag[0].page页的数据的头部,
      GRO使用过程中，如果skb是线性的，就置为空。
      如果是非线性的并且报文头部全部存在非线性区中，
      就指向页中的数据起始部分
    */
    void *frag0;                                                                                        
    /*第一页中数据的长度，如果frag0 字段不为空，
      就设置该字段，否则为0。( Length of frag0.)
    */
    unsigned int frag0_len;                                                                                                      
    /*This indicates where we are processing
      relative to skb->data.
      表明skb->data到GRO需要处理的数据区的偏移量。
      因为在GRO合并处理过程中skb->data是不能被改变的，
      所以需要使用该字段来记录一下偏移量。
      GRO处理过程中根据该记录值快速找到要处理的数据部分。
      比如进入ip层进行GRO处理，这时skb->data指向ip 头，
      而ip层的gro 正好要处理ip头，这时偏移量就为0.
      进入传输层后进行GRO处理，这时skb->data还指向ip头，
      而tcp层gro要处理tcp头，这时偏移量就是ip头部长度。
    */
    int data_offset;                                                                                                                            
    /*This is non-zero if the packet may be of the same flow.
      标记挂在napi->gro_list上的报文是否跟现在的报文进行匹配。
      每层的gro_receive都设置该标记位。
      接收到一个报文后，使用该报文和挂在napi->gro_list 上 的报文进行匹配。
      在链路层，使用dev 和 mac头进行匹配，如果一样表示两个报文是通一个
      设备发过来的，就标记napi->gro_list上对应的skb的same为1.
      到网络层，再进一步进行匹配时，只需跟napi->list上刚被链路层标记
      same为1的报文进行网络层的匹配即可，不需再跟每个报文进行匹配。
      如果网络层不匹配，就清除该标记。
      到传输层，也是只配置被网络层标记same为1 的报文即可。
      这样设计为的是减少没必要的匹配操作
    */
    int same_flow;                                                                                                                                
    /*This is non-zero if the packet cannot be merged
      with the new skb.
      如果该字段不为0，表示该数据报文没必要再等待合并，
      可以直接送进协议栈进行处理了
    */
    int flush;                                                                                                                                      
    /*该报文被合并过的次数 ,Number of segments aggregated. */
    int count;                                                                                                                        
    /* Free the skb? ,是否该被丢弃*/
    int free;
};
#define NAPI_GRO_CB(skb) ((struct napi_gro_cb *)(skb)->cb)

NAPI_GRO_CB(skb) 的初始化：
skb_reset_offset() 来重置gro 的 cb区域。如果是skb非线性的，并且本身不包含数据(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)。
因为合并报文时需要报文头的信息，这时报文头是存在skb_shared_info的frags[0]中的，我们使用指针指向正确的报文头部。
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skb 不包括数据并且skb_shinfo(skb)->frags[0].page 不在
      高端内存中，表示报文头存在skb_shinfo(skb)->frags[0].page中
    */
    if (skb->mac_header == skb->tail &&
        !PageHighMem(skb_shinfo(skb)->frags[0].page))
    {
        NAPI_GRO_CB(skb)->frag0 =
            page_address(skb_shinfo(skb)->frags[0].page) +
            skb_shinfo(skb)->frags[0].page_offset;
        NAPI_GRO_CB(skb)->frag0_len =
            skb_shinfo(skb)->frags[0].size;
    }
}

GRO在如下地方将报文送进协议栈进行处理：
1、当napi的循环执行完毕时，也就是执行napi_complete的时候，调用napi_gro_flush来把gro_list上的报文送给协议栈。一般调用napi_complete时，是NAPI一次轮询就处理完了全部的报文，这时短期内网卡可能不会进行报文的接收，所以要把napi->gro_list上的报文都送到协议栈，不用再等待合并后再送了。
void napi_complete(struct napi_struct *n)
{
    ......
    /*把napi->gro_list上的所有报文调用napi_gro_complete都
      送给协议栈，并清空grp_list
    */
    napi_gro_flush(n);
    ......
}

void napi_gro_flush(struct napi_struct *napi)
{
    struct sk_buff *skb, *next;
    for (skb = napi->gro_list; skb; skb = next)
    {
        next = skb->next;
        skb->next = NULL;
        /*链路层实现的gro完成函数 ，详见后文*/
        napi_gro_complete(skb);
    }
    napi->gro_count = 0;
    napi->gro_list = NULL;
}
2、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送进进协议栈还是保存起来。
int napi_skb_finish(int ret, struct sk_buff *skb)
{
    int err = NET_RX_SUCCESS;
    switch (ret)
    {
        /*如果返回NORMAL，就把报文送给协议栈进行处理*/
        case GRO_NORMAL:
            return netif_receive_skb(skb);
        /*如果报文经过检查被丢弃了，释放内存并直接返回*/
        case GRO_DROP:
            err = NET_RX_DROP;
                                                                                                                                                                               
       /*如果报文被合并了，这时报文已经被copy走了，
         释放该报文占用的内存
        */
        case GRO_MERGED_FREE:
            kfree_skb(skb);
            break;
    }
    return err;
}
GRO 的收包函数：
支持GRO功能的网卡驱动必须支持NAPI接口并调用GRO的专用接收函数napi_gro_receive（）来把报文送给协议栈进行处理。
int 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);
}

napi_skb_finish根据__napi_gro_receive(napi, skb)函数返回的结果，来处理报文。如果合并完成或不需要gro处理，返回GRO_NORMAL。


__napi_gro_receive（）算是链路层上实现的gro_receive函数，详解见下文。

（未完待续。。。。。。）