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网络子系统在链路层的收发过程剖析 [复制链接]

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发表于 2007-01-30 17:43 |显示全部楼层
R.wen (rwen2012@126.com)


由于太长, 这只是一部分内容,完整的文档在附件中。
有兴趣的请看看并帮忙指正,谢谢。


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)。




                                                                                                                                        07.01.30

[ 本帖最后由 rwen2012 于 2007-1-30 19:37 编辑 ]

网络子系统在链路层的收发过程剖析.pdf

192.76 KB, 下载次数: 6968

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发表于 2007-01-31 09:10 |显示全部楼层
相关问题:
dev_alloc_skb()--用于在内核中分配空间。通常,硬件有两种处理方式, 一为如果NIC数据帧直接通过系统内存接收,则skb_buff就得先行分配;其二,如果数据帧是先被接收到NIC的缓冲中,然后通过DMA送到系统内存中,则这个在系统内存的skb_buff就会在接收到这个帧后,根据它的大小再发配合适的skb,然后再进一步初始化DMA操作。

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发表于 2007-01-31 10:59 |显示全部楼层
不错!

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发表于 2007-01-31 17:05 |显示全部楼层
very good,3ks!

up

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发表于 2007-01-31 17:52 |显示全部楼层
有哪位大哥对linux的链路检测有研究过的指点一下,不是很透,谢谢。

http://www.linuxforum.net/forum/showflat.php?Cat=&Board=linuxK&Number=638153&page=0&view=collapsed&sb=5&o=7&fpart=

[ 本帖最后由 rwen2012 于 2007-1-31 18:10 编辑 ]

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发表于 2007-04-05 16:24 |显示全部楼层
不错,不错。

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发表于 2007-04-07 23:30 |显示全部楼层
原帖由 logonly 于 2007-4-5 16:24 发表于 6楼  
不错,不错。


楼上的为什么要用我的头像

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发表于 2007-04-29 02:01 |显示全部楼层
太好了,最近正在看网络这部分代码,学习中
谢谢

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发表于 2007-04-29 09:13 |显示全部楼层
帖子的标题不太合适吧!

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发表于 2007-04-29 22:33 |显示全部楼层
原帖由 AIXHP 于 2007-4-29 09:13 发表于 9楼  
帖子的标题不太合适吧!


谢谢。

因为主要内容是是包括网卡驱动和在其之上但又在IP层之下的部分内容,不属于驱动范围,
所以姑且叫了这个题目,呵呵。
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