内核中接收网络帧的处理

内核中接收网络帧的处理 

我这里描述的只是2层的处理。 

首先，我们来看softnet_data这个结构，每个cpu都有这样的一个队列，它主要是用来存储incoming frame。由于他是每个cpu都有一个队列，因此在不同的cpu之间我们就不要任何锁来控制并发的处理这个帧队列。我们在操作系统层要取得帧数据，都是通过这个数据来读取。 

/*
 * Incoming packets are placed on per-cpu queues so that
 * no locking is needed.
 */
struct softnet_data
{
///qdisc是queueing discipline的简写，也就是排队规则，就是我们经常说的qos.这里也就是输出帧的控制。
    struct Qdisc        *output_queue;
///当输入帧被驱动取得之前，就保存在这个队列里，这里要注意，这个只是非napi的驱动才会这样，而napi的驱动则是有自己的私有的队列。
    struct sk_buff_head input_pkt_queue;
///表示有输入帧待处理的设备链表。
    struct list_head    poll_list;
///表示已经成功被传递出的帧的链表。
    struct sk_buff      *completion_queue;
///用来兼容非napi的驱动。
    struct napi_struct  backlog;
#ifdef CONFIG_NET_DMA
    struct dma_chan     *net_dma;
#endif
};

这张图很好的表示了coy的softnet_data结构和网络设备的关系： 

 


接下来我们来看它的初始化： 

static int __init net_dev_init(void)
{
..............................

    for_each_possible_cpu(i) {
        struct softnet_data *queue;
///取每一个cpu的队列，并初始化。
        queue = &per_cpu(softnet_data, i);
        skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
        queue->completion_queue = NULL;
        INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list);

///这里我们就很清楚的看到backlog的功能了，由于napi的驱动都会有一个poll的虚函数，而非napi是没有的，因此这里会给所有的非napi的驱动赋值一个默认的处理方法。
        queue->backlog.poll = process_backlog;
        queue->backlog.weight = weight_p;
    }
...............................................
    return rc;
}

当一个新的帧的到达之后，内核处理的函数有两种(其实也就是2层的处理，当处理完后，就将帧扔到3层)： 

1 老的netif_rx函数 
2 新的napi接口。 

首先来介绍napi。 

简单来说就是，当内核还在处理一个帧的时候，有另外的帧到来，这时napi不需要再执行中断，而是保持轮询设备的输入队列，从而取得新到的帧，当队列为空时，退出轮询。重新打开中断。 

napi的数据结构： 

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.
     */
///有新的帧等到被执行的设备链表，这个链表的头就是softnet_data->poll_list.
    struct list_head    poll_list;
///napi的状态
    unsigned long       state;
///也就是表示分配给此napi的所能处理的帧的限额。
    int         weight;
///从设备的输入队列中取得数据的虚函数。
    int         (*poll)(struct napi_struct *, int);
#ifdef CONFIG_NETPOLL
    spinlock_t      poll_lock;
    int         poll_owner;
    struct net_device   *dev;
    struct list_head    dev_list;
#endif
};

下面的这张图可以看出napi和net_rx_action(软中断处理函数)的关系： 

 

接下来我们来看一下内核如何把老的驱动模型和napi统一到一起，关键的数据结构就是我们上面讲的softnet_data的backlog结构。 

先来看下napi和非napi驱动的区别： 




这里很清楚的看到在飞napi的驱动中，要调用netif_rx函数，然后再调用netif_rx_schedule来把所需处理的帧交给软中断处理链表。 

我们来看它的实现: 

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

    /* if netpoll wants it, pretend we never saw it */
    if (netpoll_rx(skb))
        return NET_RX_DROP;
///得到帧被接收的时间
    if (!skb->tstamp.tv64)
        net_timestamp(skb);

    /*
     * The code is rearranged so that the path is the most
     * short when CPU is congested, but is still operating.
     */
///保存当前的状态设备状态。
    local_irq_save(flags);
///取得当前cpu的softnet_data数据
    queue = &__get_cpu_var(softnet_data);

///将被当前cpu所接受的总帧的数目加一。
    __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
///监测设备是否还有空间来存储帧，如果空间已满，表示网络阻塞严重，则返回一个错误，此后cpu将丢掉再来的帧。
    if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
        if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
enqueue:
///这个帧被加入到softnet_data的输入队列。并返回成功。
            __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
            local_irq_restore(flags);
            return NET_RX_SUCCESS;
        }
///当队列是空的时候，表明这个队列并没有被软中断所schedule，因此我们需要将此队列加入到软中断的处理链表中。可以看到加入的正好是backlog，由于调用netif_rx的是非napi的驱动，因此backlog就是初始化时的process_backlog函数。
        napi_schedule(&queue->backlog);
        goto enqueue;
    }

    __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
    local_irq_restore(flags);
    kfree_skb(skb);
    return NET_RX_DROP;
}

然后我们来看网络代码最核心的一个函数net_rx_action 也就是软中断(NET_RX_SOFTIRQ)的处理函数： 

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
///得到设备链表
    struct list_head *list = &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list;
///执行开始时间
    unsigned long start_time = jiffies;
///当前所要处理的帧的最大数目。这个数目一定要限制，因为我们不能在此软中断耗费太多的时间。
    int budget = netdev_budget;
    void *have;
///关闭中断
    local_irq_disable();

///开始循环处理设备链表
    while (!list_empty(list)) {
        struct napi_struct *n;
        int work, weight;
///当处理完所需处理的帧，或者时间超时，则直接退出。
        if (unlikely(budget <= 0 || jiffies != start_time))
            goto softnet_break;

        local_irq_enable();

///取出设备的napi数据结构。
        n = list_entry(list->next, struct napi_struct, poll_list);
///加锁( 自旋锁)
        have = netpoll_poll_lock(n);

        weight = n->weight;

        work = 0;
///测试napi的状态，只有为NAPI_STATE_SCHED状态时，我们才能调用napi的poll方法。它会返回所处理的帧的数目。
        if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state))
            work = n->poll(n, weight);

        WARN_ON_ONCE(work > weight);
///得到还需处理的帧的数目
        budget -= work;

        local_irq_disable();

///当处理的帧等于分配给此设备的处理帧的限额，则进行相关处理
        if (unlikely(work == weight)) {
            if (unlikely(napi_disable_pending(n)))
                __napi_complete(n);
            else
///移除设备队列。
                list_move_tail(&n->poll_list, list);
        }

        netpoll_poll_unlock(have);
    }
out:
    local_irq_enable();
......................................

    return;

softnet_break:
    __get_cpu_var(netdev_rx_stat).time_squeeze++;
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
    goto out;
}

下来我们来看process_backlog函数，这个函数也就是非napi的驱动的默认poll的实现，napi的驱动的poll的实现，与它大体类似。 

static int process_backlog(struct napi_struct *napi, int quota)
{
///得到一些初始化值。
    int work = 0;
    struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
    unsigned long start_time = jiffies;

    napi->weight = weight_p;

///进入循环处理。
    do {
        struct sk_buff *skb;

        local_irq_disable();
///得到输入队列。
        skb = __skb_dequeue(&queue->input_pkt_queue);
        if (!skb) {
///如果输入队列为空，则设置此napi的标志，并退出。
            __napi_complete(napi);
            local_irq_enable();
            break;
        }
        local_irq_enable();
///处理输入帧，也就是进行一些2层的处理从而发给三层。
        netif_receive_skb(skb);
    } while (++work < quota && jiffies == start_time);///设备处理帧的配额已经完成，或者时间太长，则退出。
    return work;
}