TCP/IP学习(30)——L2数据链路层的数据包处理详细流程

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作者：[e-mail]
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在前面的博文中，我学习了数据包从L2到L5的流程，但是当时因为时间和水平的限制，整个儿流程并没有涉及太多的细节。前两天大致又过了这个流程，发现有不少细节还是需要注意的。所以决定，将之前略过的一些内容，详细的学习一遍。

今天主要是学习L2数据链路层的数据包的处理机制。在Linux kernel中，由网卡驱动完成L1物理层和L2数据链路层的工作。

首先看函数net_dev_init

static int __init net_dev_init(void)
{
    int i, rc = -ENOMEM;

    BUG_ON(!dev_boot_phase);

     /* 

     创建对应的/proc文件，如/proc/net/dev, /proc/net/softnet_stat等

     */

    if (dev_proc_init())
        goto out;

     /* 初始化netdev对应的kobject*/

    if (netdev_kobject_init())
        goto out;

     /* 

     初始化数据链路层的handle上层数据类型表。

     回忆前文《TCP/IP学习(28)——数据包完整接受流程》中，在inet_init中注册了IP包类型到这个表中。

     */

    INIT_LIST_HEAD(&ptype_all);
    for (i = 0; i < PTYPE_HASH_SIZE; i++)
        INIT_LIST_HEAD(&ptype_base[i]);

     /*

     注册neddev_net_ops subsystem

     */

    if (register_pernet_subsys(&netdev_net_ops))
        goto out;

    /*
     *    Initialise the packet receive queues.
     */
    /*
    为每个CPU初始化PERCPU的全局变量softnet_data，作为该CPU的接收缓存
    */
    for_each_possible_cpu(i) {
        struct softnet_data *sd = &per_cpu(softnet_data, i);

        ...... ......
    }

    dev_boot_phase = 0;

    /* The loopback device is special if any other network devices
     * is present in a network namespace the loopback device must
     * be present. Since we now dynamically allocate and free the
     * loopback device ensure this invariant is maintained by
     * keeping the loopback device as the first device on the
     * list of network devices.  Ensuring the loopback devices
     * is the first device that appears and the last network device
     * that disappears.
     */
    if (register_pernet_device(&loopback_net_ops))
        goto out;

    if (register_pernet_device(&default_device_ops))
        goto out;

     /*

     enable软中断

     */

    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

    hotcpu_notifier(dev_cpu_callback, 0);
    dst_init();
    dev_mcast_init();
    rc = 0;
out:
    return rc;
}

net_dev_init在系统启动时，在注册网卡之前调用，主要就是初始化net device所需要的一些环境。

下面仍然以Intel PRO/1000的网卡驱动为例，e1000_init_module为该驱动的入口。通过e1000_init_module->pci_register_driver->e1000_probe进入初始化函数。

在e1000_probe中，通过下面这条语句绑定了操作函数。

netdev->netdev_ops = &e1000_netdev_ops;

static const struct net_device_ops e1000_netdev_ops = {
    .ndo_open        = e1000_open,
...... ......
};

对于今天的主题来说，只需关心e1000_open即可。因为该函数是在激活该网卡时被调用，完成资源的申请，中断的注册，即e1000_intr。

static irqreturn_t e1000_intr(int irq, void *data)
{
    ...... ......
    /*
    检测是否可以调度NAPI：
    当没有disable NAPI且没有该网卡对应的NAPI在运行时（保证对应一个网卡的NAPI只有一个实例在运行），即可调度一个新的NAPI。
    NAPI是一种新的网卡数据检查处理方式。基本上是interrupt+poll。详细信息问google
    */
    if (likely(napi_schedule_prep(&adapter->napi))) {
        /*
        清楚单次的统计信息。
        刚看到这里时，我也奇怪，为什么total的统计信息要被清零。
        实际上这些统计信息只是一次NAPI运行的统计信息，并不是网卡总的统计信息。
        网卡的统计信息为netdev->stats。NAPI运行完会将下面的值加到网卡的统计信息上的。
        */
        adapter->total_tx_bytes = 0;
        adapter->total_tx_packets = 0;
        adapter->total_rx_bytes = 0;
        adapter->total_rx_packets = 0;
        /* 要求调度对应的NAPI实例 */
        __napi_schedule(&adapter->napi);
    } else {
        /* this really should not  if it does it is basically a
         * bug, but not a hard error, so enable ints and continue */
        if (!test_bit(__E1000_DOWN, &adapter->flags))
            e1000_irq_enable(adapter);
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

上面为中断的关键流程，其中要求调度对应的NAPI实例时，实际上是引发一个软中断。

__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ)。这个中断函数的主要功能就是要求调度一个NAPI——这里跟以前理解的中断函数不太一样。按照教科书式的概念，网卡的中断函数，应该将数据包从网卡的缓冲中取出放到一个系统缓冲中，然后在引发软中断去做剩下的工作。

下面看NET_RX_SOFTIRQ软中断对应的处理函数net_rx_action。

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
    struct softnet_data *sd = &__get_cpu_var(softnet_data);
    unsigned long time_limit = jiffies + 2;
    int budget = netdev_budget;
    void *have;

    local_irq_disable();

     /* 开始顺序poll所有需要poll的网卡 */

    while (!list_empty(&sd->poll_list)) {
        struct napi_struct *n;
        int work, weight;

        /* If softirq window is exhuasted then punt.
         * Allow this to run for 2 jiffies since which will allow
         * an average latency of 1.5/HZ.
         */
        if (unlikely(budget <= 0 || time_after(jiffies, time_limit)))
            goto softnet_break;

        local_irq_enable();

        /* Even though interrupts have been re-enabled, this
         * access is safe because interrupts can only add new
         * entries to the tail of this list, and only ->poll()
         * calls can remove this head entry from the list.
         */
        /* 取得一个网卡的NAPI实例 */
        n = list_first_entry(&sd->poll_list, struct napi_struct, poll_list);

         /* 给这个实例上锁 */

        have = netpoll_poll_lock(n);

        weight = n->weight;

        /* This NAPI_STATE_SCHED test is for avoiding a race
         * with netpoll's poll_napi().  Only the entity which
         * obtains the lock and sees NAPI_STATE_SCHED set will
         * actually make the ->poll() call.  Therefore we avoid
         * accidently calling ->poll() when NAPI is not scheduled.
         */
        work = 0;
        if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state)) {
            /* poll这个网卡 */
            work = n->poll(n, weight);
            trace_napi_poll(n);
        }

        WARN_ON_ONCE(work > weight);

        budget -= work;

        local_irq_disable();

        /* Drivers must not modify the NAPI state if they
         * consume the entire weight.  In such cases this code
         * still "owns" the NAPI instance and therefore can
         * move the instance around on the list at-will.
         */
        if (unlikely(work == weight)) {
            /* 该NAPI的weight消耗完毕，需要处理下一个 */
            if (unlikely(napi_disable_pending(n))) {
                local_irq_enable();
                napi_complete(n);
                local_irq_disable();
            } else
                list_move_tail(&n->poll_list, &sd->poll_list);
        }

        netpoll_poll_unlock(have);
    }
out:
    net_rps_action_and_irq_enable(sd);

#ifdef CONFIG_NET_DMA
    /*
     * There may not be any more sk_buffs coming right now, so push
     * any pending DMA copies to hardware
     */
    dma_issue_pending_all();
#endif

    return;

softnet_break:
    sd->time_squeeze++;
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
    goto out;
}

通过上面这个软中断处理函数，对应每个网卡来说，又需要跳回驱动，去学习对应的poll函数。对于本文的这个驱动来说，poll函数就是e1000_clean->e1000_clean_rx_irq。这个函数是真正用于处理网卡接收数据包的工作。

static bool e1000_clean_rx_irq(struct e1000_adapter *adapter,
                   struct e1000_rx_ring *rx_ring,
                   int *work_done, int work_to_do)
{
   ...... ......

     

     /* 得到当前需要处理buffer*/

    i = rx_ring->next_to_clean;
    rx_desc = E1000_RX_DESC(*rx_ring, i);
    buffer_info = &rx_ring->buffer_info[i];

    while (rx_desc->status & E1000_RXD_STAT_DD) {
        struct sk_buff *skb;
        u8 status;

        if (*work_done >= work_to_do) //如果已经poll到足够的包，可以跳出返回
            break;
        (*work_done)++;
        rmb(); /* read descriptor and rx_buffer_info after status DD */

          

         /* 得到数据包buffer对应的skb buffer结构地址 */

        status = rx_desc->status;
        skb = buffer_info->skb;
        buffer_info->skb = NULL;

  

 /* 

         然后做一些网卡硬件相关，及一些sanity check

         */

         ...... ......

       /*
       设置skb->pkt_type：PACKET_BROADCAST等；
       即数据链路层协议类型
       */
        skb->protocol = eth_type_trans(skb, netdev);

         /* 将数据包传递给上层，并做一些通用数据链路层的处理 */

        e1000_receive_skb(adapter, status, rx_desc->special, skb);

next_desc:
        /* 处理下一个数据包 */
        ...... ......
    }

     /* 更新统计信息等*/

    ...... ......

    return cleaned;
}

在这个函数中，真正的从网卡buffer中取出数据包，然后根据硬件的特性做一些特定处理，并简单的设置了数据包的一些field，完成L1的操作，设置好L2的报头。这时，数据包已经为TCP/IP协议栈所需要的skb_buff结构。

然后调用e1000_receive_skb->netif_receive_skb->__netif_receive_skb

static int __netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
    struct packet_type *ptype, *pt_prev;
    rx_handler_func_t *rx_handler;
    struct net_device *orig_dev;
    struct net_device *master;
    struct net_device *null_or_orig;
    struct net_device *orig_or_bond;
    int ret = NET_RX_DROP;
    __be16 type;

      /* 为skb打时间戳 */

    if (!netdev_tstamp_prequeue)
        net_timestamp_check(skb);

     /* vlan下硬件加速处理 */

    if (vlan_tx_tag_present(skb) && vlan_hwaccel_do_receive(skb))
        return NET_RX_SUCCESS;

    /* if we've gotten here through NAPI, check netpoll */
    if (netpoll_receive_skb(skb))
        return NET_RX_DROP;

     /* 设置skb的iif为接收网卡的索引 */

    if (!skb->skb_iif)
        skb->skb_iif = skb->dev->ifindex;

    /*
     * bonding note: skbs received on inactive slaves should only
     * be delivered to pkt handlers that are exact matches.  Also
     * the deliver_no_wcard flag will be set.  If packet handlers
     * are sensitive to duplicate packets these skbs will need to
     * be dropped at the handler.  The vlan accel path may have
     * already set the deliver_no_wcard flag.
     */
    /*关于网卡的bond的处理， 这个feature我只是了解，所以略过 */
    null_or_orig = NULL;
    orig_dev = skb->dev;
    master = ACCESS_ONCE(orig_dev->master);
    if (skb->deliver_no_wcard)
        null_or_orig = orig_dev;
    else if (master) {
        if (skb_bond_should_drop(skb, master)) {
            skb->deliver_no_wcard = 1;
            null_or_orig = orig_dev; /* deliver only exact match */
        } else
            skb->dev = master;
    }

    __this_cpu_inc(softnet_data.processed);
    /* 初始化l3 header 和 l4 header 的地址*/
    skb_reset_network_header(skb);
    skb_reset_transport_header(skb);
    /* 得到mac地址长度，准确来说是2层地址的长度 */
    skb->mac_len = skb->network_header - skb->mac_header;

    pt_prev = NULL;

    rcu_read_lock();

    /*
    省略一些不太相关的代码
    */
    ...... ......

    /*
    通过2层协议类型作为key，得到相应链表。
    */

    type = skb->protocol;
    list_for_each_entry_rcu(ptype,
            &ptype_base[ntohs(type) & PTYPE_HASH_MASK], list) {
        if (ptype->type == type && (ptype->dev == null_or_orig ||
             ptype->dev == skb->dev || ptype->dev == orig_dev ||
             ptype->dev == orig_or_bond)) {
            if (pt_prev) //找到匹配的协议类型，上传给L3层
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
            pt_prev = ptype;
        }
    }

    if (pt_prev) {
        ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
    } else {
        kfree_skb(skb);
        /* Jamal, now you will not able to escape explaining
         * me how you were going to use this. :-)
         */
        ret = NET_RX_DROP;
    }

out:
    rcu_read_unlock();
    return ret;
}

现在基本上已经比较详细的学习了L2层的数据包处理流程。当然，还有很多很多的细节没有涉及，道路还很漫长啊。