Linux网络协议栈(四)——链路层(1)

1、接收帧
当网络适配器接收到数据帧时，就会触发一个中断，中断处理程序执行一些需要及时处理的任务，然后在下半部进行其它可以延迟的处理。中断处理程序主要进行以下一些操作：
(1)    分配sk_buff数据结构，并将接收到的数据帧从网络适配器I/O端口拷贝到sk_buff缓冲区中；
(2)    从数据帧中提取出一些信息，并设置sk_buff相应的参数，这些参数将被上层的网络协议使用，例如skb->protocol；
(3)    通过软中断NET_RX_SOFTIRQ通知内核接收到新的数据帧。

内核2.5中引入一组新的API来处理接收的数据帧，即NAPI。所以，当网络适配器接收到数据帧时，驱动有两种方式通知内核：(1)通过以前的函数netif_rx；(2)通过NAPI机制，但是只有很少的驱动使用它。
1.1、softnet_data数据结构

//include/linux/netdevice.h
struct softnet_data
{
    int            throttle;
    int            cng_level;
    int            avg_blog;
    struct sk_buff_head    input_pkt_queue;
    struct list_head    poll_list;
    struct net_device    *output_queue;
    struct sk_buff        *completion_queue;

    struct net_device    backlog_dev;    /* Sorry. 8) */
};

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，从而大大提高了数据处理的并发性。

throttle、avg_blog和cng_level
这三个参数主要用于阻塞管理(congestion management)。throttle非0时，表示CPU负荷过载，它的值取决于input_pkt_queue，当throttle设置时，CPU接收到的所有数据帧都被丢弃。avg_blog表示输入队列input_pkt_queue的平均长度，它的范围从0到netdev_max_backlog(最大值)，它用来计算cng_level。cng_level表示阻塞的程度. avg_blog 和 cng_level与CPU处理的input_pkt_queue相关联,仅用于non_NAPI设备。

struct net_device *output_queue;  
struct sk_buff *completion_queue;
这两个域用于发送数据。

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。

Softnet_data的初始化：
每个CPU的softnet_data是在net_dev_init中初始化的，代码如下：

    for (i = 0; i < NR_CPUS; i++) {
        struct softnet_data *queue;

        queue = &per_cpu(softnet_data,i);
        skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
        queue->throttle = 0;
        queue->cng_level = 0;
        queue->avg_blog = 10; /* arbitrary non-zero */
        queue->completion_queue = NULL;
        INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list);
        set_bit(_ _LINK_STATE_START, &queue->backlog_dev.state);
        queue->backlog_dev.weight = weight_p;
        queue->backlog_dev.poll = process_backlog;
        atomic_set(&queue->backlog_dev.refcnt, 1);
    }

1.2、NON-NAPI方式：
来看看vortex_rx是怎么调用netif_rx的，大部分的网络设备驱动使用方式与其相似：

static int vortex_rx(struct net_device *dev)
{
//…
struct sk_buff *skb;
skb = dev_alloc_skb(pkt_len + 5);//分配缓冲区
if (skb != NULL) {
                skb->dev = dev;//设置接收包的网络设备
                //将data和tail指针下移2个字节,使得IP头在缓冲区存储时可以16字节的边界上对齐
                skb_reserve(skb, 2);    /* Align IP on 16 byte boundaries */
                //将数据帧从I/O端口拷贝到sk_buff缓冲区
                skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
                netif_rx(skb);
                dev->last_rx = jiffies;//接收到数据的时间
                vp->stats.rx_packets++;
                //…
                }
}

netif_rx( )函数
netif_rx通常在驱动的中断处理程序(严格意义来说，应该是中断服务例程，ISR)中被调用，但是也有例外，那就是回环设备。

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

#ifdef CONFIG_NETPOLL
    if (skb->dev->netpoll_rx && netpoll_rx(skb)) {
        kfree_skb(skb);
        return NET_RX_DROP;
    }
#endif
    //设置接收到的帧的时间，注意与dev->last_rx相区别；前者是针对sb_buff，后者是
    //针对net_device。
    if (!skb->stamp.tv_sec)
        net_timestamp(&skb->stamp);

    /*
     * The code is rearranged so that the path is the most
     * short when CPU is congested, but is still operating.
     */
     //关闭中断
    local_irq_save(flags);
    this_cpu = smp_processor_id();
    
    //取得当前CPU的输入队列
    queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
    
    //更新当前CPU接收到的帧的数量,包括接收的和丢弃的
    __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
    
    //每个CPU输入队列的最大长度为300,如果超过,则丢弃该数据帧
    if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
        
        if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
            if (queue->throttle)
                goto drop;

enqueue:    //增加设备的引用计数,防止处理sb_buff时,设备被移除;
            //dev_put减引用计数,它在net_rx_action被调用
            dev_hold(skb->dev);
            //将sb_buff加入到当前CPU的输入队列
            __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
#ifndef OFFLINE_SAMPLE
            get_sample_stats(this_cpu);
#endif
            local_irq_restore(flags);
            return queue->cng_level;
        }

        if (queue->throttle)
            queue->throttle = 0;
        //调度NET_RX_SOFTIRQ软中断,仅当新的sb_buff加入空队列时才调用. 
        netif_rx_schedule(&queue->backlog_dev);
        goto enqueue;
    }
    //如果CPU输入队列已满,表明CPU进入throttle状态
    if (!queue->throttle) {
        queue->throttle = 1;
        __get_cpu_var(netdev_rx_stat).throttled++;
    }

drop:
    //更新当前CPU的丢弃的帧数
    __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
    //恢复寄存器状态
    local_irq_restore(flags);

    kfree_skb(skb);
    return NET_RX_DROP;
}

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。

1.3、NAPI方式
net_device中与NAPI相关的字段：
poll
从设备的输入队列取缓冲区的虚拟函数。对于NAPI，输入队列是私有的；对于NON_API设备，输入队列为softnet_data->input_pkt_queue。
poll_list
输入队列有新的数据帧需要处理的设备的链表，这些设备此时处于polling状态，表头为softnet_data->poll_list。位于链表中的设备关闭中断，正被内核查询。
quota
weight
quota表示poll每次可以从输入队列中取的最大缓冲区数。weight 成员描述接口的相对重要性：当资源紧张时，有多少流量可以从接口收到。如何设置 weight 参数没有严格的规则；依照惯例, 10 MBps 以太网接口设置 weight 为 16, 而快一些的接口使用 64. 你不能设置 weight 为一个超过你的接口能够存储的报文数目的值。quota值以weight为基础进行更新。

使用NAPI：

//drivers/net/e100.c
static irqreturn_t e100_intr(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
    struct net_device *netdev = dev_id;
    struct nic *nic = netdev_priv(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。

netif_rx_schedule函数

//include/linux/netdevice.h
static inline void netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
    if (netif_rx_schedule_prep(dev))
        __netif_rx_schedule(dev);
}
//检查设备已经运行且软中断没有被调度
static inline int netif_rx_schedule_prep(struct net_device *dev)
{
    return netif_running(dev) &&
        !test_and_set_bit(__LINK_STATE_RX_SCHED, &dev->state);
}
static inline void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
    unsigned long flags;

    local_irq_save(flags);
    //增加设备引用计数
    dev_hold(dev);
    //将dev加入到poll_list中
    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;
    //挂起软中断
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
    local_irq_restore(flags);
}

整个过程如下：


1.4、net_rx_action( )函数
net_rx_action为处理接收数据帧的下半部函数，输入的数据帧在两个地方等待net_rx_action来处理：
(1)    CPU的输入队列。这是针对NON-NAPI方式的，它调用netif_rx，将数据帧加入到CPU的输入队列softnet_data->input_pkt_queue。
(2)    设备缓存。对于NAPI方式，poll函数从设备缓存读取数据帧。

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
    struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
    unsigned long start_time = jiffies;
    int budget = netdev_max_backlog;

    
    local_irq_disable();

    //处理CPU输入队列中的所有待处理的设备
    while (!list_empty(&queue->poll_list)) {
        struct net_device *dev;

        if (budget <= 0 || jiffies - start_time > 1)
            goto softnet_break;

        local_irq_enable();

        dev = list_entry(queue->poll_list.next,
                 struct net_device, poll_list);
        
        //调用查询函数处理接收到的数据帧,对于non-api方式为process_backlog;
        //对于NAPI,由设备驱动提供相应的poll函数
        if (dev->quota <= 0 || dev->poll(dev, &budget)) {
            //将设备从poll_list中删除,并将其加到poll_list的尾部
            local_irq_disable();
            list_del(&dev->poll_list);
            list_add_tail(&dev->poll_list, &queue->poll_list);
            if (dev->quota < 0)
                dev->quota += dev->weight;
            else
                dev->quota = dev->weight;
        } else {
            dev_put(dev);//减设备的引用计数
            local_irq_disable();
        }
    }
out:
    local_irq_enable();
    return;

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

1.5、process_backlog函数
对于non-API方式，poll函数为process_backlog：

static int process_backlog(struct net_device *backlog_dev, int *budget)
{
    int work = 0;
    int quota = min(backlog_dev->quota, *budget);
    struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
    unsigned long start_time = jiffies;

    for (;;) {
        struct sk_buff *skb;
        struct net_device *dev;

        local_irq_disable();
        skb = __skb_dequeue(&queue->input_pkt_queue);
        if (!skb)
            goto job_done;
        local_irq_enable();

        dev = skb->dev;

        netif_receive_skb(skb);

        dev_put(dev);

        work++;

        if (work >= quota || jiffies - start_time > 1)
            break;

    }

    backlog_dev->quota -= work;
    *budget -= work;
    return -1;

job_done:
    backlog_dev->quota -= work;
    *budget -= work;

    list_del(&backlog_dev->poll_list);
    smp_mb__before_clear_bit();
    netif_poll_enable(backlog_dev);

    if (queue->throttle)
        queue->throttle = 0;
    local_irq_enable();
    return 0;
}

该函数主要从CPU输入队列中取出套接字缓冲区，然后通过调用netif_receive_skb，将sb_buff传递给上层协议处理。budget 参数提供了一个我们允许传给内核的最大报文数目。在设备结构里, quota 成员给出了另一个最大值； poll 方法必须遵守这两个限制中的较小者。它也应当以实际收到的报文数目递减 dev->quota 和 *budget. budget 值是当前 CPU 能够从所有接口收到的最多报文数目, 而 quota 是一个每接口值, 常常在初始化时安排给接口以 weight 为起始。

1.6 NAPI的poll函数
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：

//derivers/net/e100.c
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)。

1.7 netif_receive_skb函数
netif_receive_skb是链路层接收数据报的最后一站。它根据注册在全局数组ptype_all和ptype_base里的网络层数据报类型，把数据报递交给不同的网络层协议的接收函数(INET域中主要是ip_rcv和arp_rcv)。

//net/core/dev.c
int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
    struct packet_type *ptype, *pt_prev;
    int ret = NET_RX_DROP;
    unsigned short type;

#ifdef CONFIG_NETPOLL
    if (skb->dev->netpoll_rx && skb->dev->poll && netpoll_rx(skb)) {
        kfree_skb(skb);
        return NET_RX_DROP;
    }
#endif

    if (!skb->stamp.tv_sec)
        net_timestamp(&skb->stamp);
    
    //将一组接口作为一个单独的接口对待
    skb_bond(skb);

    __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;

    skb->h.raw = skb->nh.raw = skb->data;
    skb->mac_len = skb->nh.raw - skb->mac.raw;

    pt_prev = NULL;

    rcu_read_lock();

#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
    if (skb->tc_verd & TC_NCLS) {
        skb->tc_verd = CLR_TC_NCLS(skb->tc_verd);
        goto ncls;
    }
#endif
    //ptype_all保存了将要接收所有输入sb_buff的三层协议
    list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
        if (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev) {
            if (pt_prev) 
                //该函数就是调用协议的接收函数处理该skb包,进入第三层网络层处理
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev);
            pt_prev = ptype;
        }
    }

#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
    if (pt_prev) {
        ret = deliver_skb(skb, pt_prev);
        pt_prev = NULL; /* noone else should process this after*/
    } else {
        skb->tc_verd = SET_TC_OK2MUNGE(skb->tc_verd);
    }

    ret = ing_filter(skb);

    if (ret == TC_ACT_SHOT || (ret == TC_ACT_STOLEN)) {
        kfree_skb(skb);
        goto out;
    }

    skb->tc_verd = 0;
ncls:
#endif

    handle_diverter(skb);

    if (handle_bridge(&skb, &pt_prev, &ret))
        goto out;

    type = skb->protocol;
    //将帧传递给skb->protocol协议处理,ptype_base管理所有的正常的第3层协议
    list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_base[ntohs(type)&15], list) {
        if (ptype->type == type &&
            (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev)) {
            if (pt_prev) 
                //该函数就是调用协议的接收函数处理该skb包,进入第三层网络层处理
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev);

            pt_prev = ptype;
        }
    }

    if (pt_prev) {
        ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev);
    } 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;
}


static __inline__ int deliver_skb(struct sk_buff *skb,
                  struct packet_type *pt_prev)
{
    atomic_inc(&skb->users);
    return pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev);//调用3层协议的处理函数
}

该函数主要就是调用第三层协议的接收函数处理该skb包，进入第三层网络层处理。