数据包接收
设备驱动层
当一些网络包到来触发了中断，内核处理完这些网络包之后，我们可以先进入主动轮询 poll 网卡的方式，主动去接收到来的网络包。如果一直有，就一直处理，等处理告一段落，就返回干其他的事情。当再有下一批网络包到来的时候，再中断，再轮询 poll。这样就会大大减少中断的数量，提升网络处理的效率，这种处理方式我们称为 NAPI。
static struct pci_driver ixgb_driver = { .name = ixgb_driver_name, .id_table = ixgb_pci_tbl, .probe = ixgb_probe, .remove = ixgb_remove, .err_handler = &ixgb_err_handler }; MODULE_AUTHOR("Intel Corporation, <linux.nics@intel.com>"); MODULE_DESCRIPTION("Intel(R) PRO/10GbE Network Driver"); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_VERSION(DRV_VERSION); /** * ixgb_init_module - Driver Registration Routine * * ixgb_init_module is the first routine called when the driver is * loaded. All it does is register with the PCI subsystem. **/ static int __init ixgb_init_module(void) { pr_info("%s - version %s\n", ixgb_driver_string, ixgb_driver_version); pr_info("%s\n", ixgb_copyright); return pci_register_driver(&ixgb_driver); } module_init(ixgb_init_module);
在网卡驱动程序初始化的时候，我们会调用 ixgb_init_module，注册一个驱动 ixgb_driver，并且调用它的 probe 函数 ixgb_probe
static int ixgb_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent) { struct net_device *netdev = NULL; struct ixgb_adapter *adapter; ...... netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct ixgb_adapter)); SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev); pci_set_drvdata(pdev, netdev); adapter = netdev_priv(netdev); adapter->netdev = netdev; adapter->pdev = pdev; adapter->hw.back = adapter; adapter->msg_enable = netif_msg_init(debug, DEFAULT_MSG_ENABLE); adapter->hw.hw_addr = pci_ioremap_bar(pdev, BAR_0); ...... netdev->netdev_ops = &ixgb_netdev_ops; ixgb_set_ethtool_ops(netdev); netdev->watchdog_timeo = 5 * HZ; netif_napi_add(netdev, &adapter->napi, ixgb_clean, 64); strncpy(netdev->name, pci_name(pdev), sizeof(netdev->name) - 1); adapter->bd_number = cards_found; adapter->link_speed = 0; adapter->link_duplex = 0; ...... }
在 ixgb_probe 中，我们会创建一个 struct net_device 表示这个网络设备，并且 netif_napi_add 函数为这个网络设备注册一个轮询 poll 函数 ixgb_clean，将来一旦出现网络包的时候，就是要通过他来轮询了
当一个网卡被激活的时候，我们会调用函数 ixgb_open->ixgb_up，在这里面注册一个硬件的中断处理函数
int ixgb_up(struct ixgb_adapter *adapter) { struct net_device *netdev = adapter->netdev; ...... err = request_irq(adapter->pdev->irq, ixgb_intr, irq_flags, netdev->name, netdev); ...... } /** * ixgb_intr - Interrupt Handler * @irq: interrupt number * @data: pointer to a network interface device structure **/ static irqreturn_t ixgb_intr(int irq, void *data) { struct net_device *netdev = data; struct ixgb_adapter *adapter = netdev_priv(netdev); struct ixgb_hw *hw = &adapter->hw; ...... if (napi_schedule_prep(&adapter->napi)) { IXGB_WRITE_REG(&adapter->hw, IMC, ~0); __napi_schedule(&adapter->napi); } return IRQ_HANDLED; }
如果一个网络包到来，触发了硬件中断，就会调用 ixgb_intr，这里面会调用 __napi_schedule
/** * __napi_schedule - schedule for receive * @n: entry to schedule * * The entry's receive function will be scheduled to run. * Consider using __napi_schedule_irqoff() if hard irqs are masked. */ void __napi_schedule(struct napi_struct *n) { unsigned long flags; local_irq_save(flags); ____napi_schedule(this_cpu_ptr(&softnet_data), n); local_irq_restore(flags); } static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd, struct napi_struct *napi) { list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list); __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); }
__napi_schedule 是处于中断处理的关键部分，在他被调用的时候，中断是暂时关闭的，但是处理网络包是个复杂的过程，需要到延迟处理部分，所以 ____napi_schedule 将当前设备放到 struct softnet_data 结构的 poll_list 里面，说明在延迟处理部分可以接着处理这个 poll_list 里面的网络设备
然后 ____napi_schedule 触发一个软中断 NET_RX_SOFTIRQ，通过软中断触发中断处理的延迟处理部分，也是常用的手段
软中断 NET_RX_SOFTIRQ 对应的中断处理函数是 net_rx_action
static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h) { struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data); LIST_HEAD(list); list_splice_init(&sd->poll_list, &list); ...... for (;;) { struct napi_struct *n; ...... n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list); budget -= napi_poll(n, &repoll); } ...... }
在 net_rx_action 中，会得到 struct softnet_data 结构，这个结构在发送的时候我们也遇到过。当时它的 output_queue 用于网络包的发送，这里的 poll_list 用于网络包的接收
struct softnet_data { struct list_head poll_list; ...... struct Qdisc *output_queue; struct Qdisc **output_queue_tailp; ...... }
在 net_rx_action 中，接下来是一个循环，在 poll_list 里面取出网络包到达的设备，然后调用 napi_poll 来轮询这些设备，napi_poll 会调用最初设备初始化的时候，注册的 poll 函数，对于 ixgb_driver，对应的函数是 ixgb_clean
ixgb_clean 会调用 ixgb_clean_rx_irq
static bool ixgb_clean_rx_irq(struct ixgb_adapter *adapter, int *work_done, int work_to_do) { struct ixgb_desc_ring *rx_ring = &adapter->rx_ring; struct net_device *netdev = adapter->netdev; struct pci_dev *pdev = adapter->pdev; struct ixgb_rx_desc *rx_desc, *next_rxd; struct ixgb_buffer *buffer_info, *next_buffer, *next2_buffer; u32 length; unsigned int i, j; int cleaned_count = 0; bool cleaned = false; i = rx_ring->next_to_clean; rx_desc = IXGB_RX_DESC(*rx_ring, i); buffer_info = &rx_ring->buffer_info[i]; while (rx_desc->status & IXGB_RX_DESC_STATUS_DD) { struct sk_buff *skb; u8 status; status = rx_desc->status; skb = buffer_info->skb; buffer_info->skb = NULL; prefetch(skb->data - NET_IP_ALIGN); if (++i == rx_ring->count) i = 0; next_rxd = IXGB_RX_DESC(*rx_ring, i); prefetch(next_rxd); j = i + 1; if (j == rx_ring->count) j = 0; next2_buffer = &rx_ring->buffer_info[j]; prefetch(next2_buffer); next_buffer = &rx_ring->buffer_info[i]; ...... length = le16_to_cpu(rx_desc->length); rx_desc->length = 0; ...... ixgb_check_copybreak(&adapter->napi, buffer_info, length, &skb); /* Good Receive */ skb_put(skb, length); /* Receive Checksum Offload */ ixgb_rx_checksum(adapter, rx_desc, skb); skb->protocol = eth_type_trans(skb, netdev); netif_receive_skb(skb); ...... /* use prefetched values */ rx_desc = next_rxd; buffer_info = next_buffer; } rx_ring->next_to_clean = i; ...... }
在网络设备的驱动层，有一个用于接收网络包的 rx_ring。它是一个环，从网卡硬件接收的包会放在这个环里面。这个环里面的 buffer_info[]是一个数组，存放的是网络包的内容。i 和 j 是这个数组的下标，在 ixgb_clean_rx_irq 里面的 while 循环中，依次处理环里面的数据。在这里面，我们看到了 i 和 j 加一之后，如果超过了数组的大小，就跳回下标 0，就说明这是一个环。
ixgb_check_copybreak 函数将 buffer_info 里面的内容，拷贝到 struct sk_buff *skb，从而可以作为一个网络包进行后续的处理，然后调用 netif_receive_skb
网络协议栈的二层逻辑
从 netif_receive_skb 函数开始，我们就进入了内核的网络协议栈
netif_receive_skb->netif_receive_skb_internal->__netif_receive_skb->__netif_receive_skb_core
在 __netif_receive_skb_core 中，我们先是处理了二层的一些逻辑。
例如，对于 VLAN 的处理，接下来要想办法交给第三层
static int __netif_receive_skb_core(struct sk_buff *skb, bool pfmemalloc) { struct packet_type *ptype, *pt_prev; ...... type = skb->protocol; ...... deliver_ptype_list_skb(skb, &pt_prev, orig_dev, type, &orig_dev->ptype_specific); if (pt_prev) { ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev); } ...... } static inline void deliver_ptype_list_skb(struct sk_buff *skb, struct packet_type **pt, struct net_device *orig_dev, __be16 type, struct list_head *ptype_list) { struct packet_type *ptype, *pt_prev = *pt; list_for_each_entry_rcu(ptype, ptype_list, list) { if (ptype->type != type) continue; if (pt_prev) deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev); pt_prev = ptype; } *pt = pt_prev; }
在网络包 struct sk_buff 里面，二层的头里面有一个 protocol，表示里面一层，也即三层是什么协议。deliver_ptype_list_skb 在一个协议列表中逐个匹配。如果能够匹配到，就返回。
这些协议的注册在网络协议栈初始化的时候， inet_init 函数调用 dev_add_pack(&ip_packet_type)，添加 IP 协议。协议被放在一个链表里面。
void dev_add_pack(struct packet_type *pt) { struct list_head *head = ptype_head(pt); list_add_rcu(&pt->list, head); } static inline struct list_head *ptype_head(const struct packet_type *pt) { if (pt->type == htons(ETH_P_ALL)) return pt->dev ? &pt->dev->ptype_all : &ptype_all; else return pt->dev ? &pt->dev->ptype_specific : &ptype_base[ntohs(pt->type) & PTYPE_HASH_MASK]; }
假设这个时候的网络包是一个 IP 包，则在这个链表里面一定能够找到 ip_packet_type，在 __netif_receive_skb_core 中会调用 ip_packet_type 的 func 函数
static struct packet_type ip_packet_type __read_mostly = { .type = cpu_to_be16(ETH_P_IP), .func = ip_rcv, };
网络协议栈的 IP 层
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev) { const struct iphdr *iph; struct net *net; u32 len; ...... net = dev_net(dev); ...... iph = ip_hdr(skb); len = ntohs(iph->tot_len); skb->transport_header = skb->network_header + iph->ihl*4; ...... return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING, net, NULL, skb, dev, NULL, ip_rcv_finish); ...... }
在 ip_rcv 中，得到 IP 头，然后又遇到了我们见过多次的 NF_HOOK，这次因为是接收网络包，第一个 hook 点是 NF_INET_PRE_ROUTING，也就是 iptables 的 PREROUTING 链。如果里面有规则，则执行规则，然后调用 ip_rcv_finish
static int ip_rcv_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb) { const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb); struct net_device *dev = skb->dev; struct rtable *rt; int err; ...... rt = skb_rtable(skb); ..... return dst_input(skb); } static inline int dst_input(struct sk_buff *skb) { return skb_dst(skb)->input(skb);
ip_rcv_finish 得到网络包对应的路由表，然后调用 dst_input，在 dst_input 中，调用的是 struct rtable 的成员的 dst 的 input 函数。在 rt_dst_alloc 中，我们可以看到，input 函数指向的是 ip_local_deliver。
int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb) { /* * Reassemble IP fragments. */ struct net *net = dev_net(skb->dev); if (ip_is_fragment(ip_hdr(skb))) { if (ip_defrag(net, skb, IP_DEFRAG_LOCAL_DELIVER)) return 0; } return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_IN, net, NULL, skb, skb->dev, NULL, ip_local_deliver_finish); }
在 ip_local_deliver 函数中，如果 IP 层进行了分段，则进行重新的组合。接下来就是我们熟悉的 NF_HOOK。hook 点在 NF_INET_LOCAL_IN，对应 iptables 里面的 INPUT 链。在经过 iptables 规则处理完毕后，我们调用 ip_local_deliver_finish
static int ip_local_deliver_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb) { __skb_pull(skb, skb_network_header_len(skb)); int protocol = ip_hdr(skb)->protocol; const struct net_protocol *ipprot; ipprot = rcu_dereference(inet_protos[protocol]); if (ipprot) { int ret; ret = ipprot->handler(skb); ...... } ...... }
在 IP 头中，有一个字段 protocol 用于指定里面一层的协议，在这里应该是 TCP 协议。
于是，从 inet_protos 数组中，找出 TCP 协议对应的处理函数。这个数组的定义如下，里面的内容是 struct net_protocol
struct net_protocol __rcu *inet_protos[MAX_INET_PROTOS] __read_mostly; int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol) { ...... return !cmpxchg((const struct net_protocol **)&inet_protos[protocol], NULL, prot) ? 0 : -1; } static int __init inet_init(void) { ...... if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0) pr_crit("%s: Cannot add UDP protocol\n", __func__); if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0) pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol\n", __func__); ...... } static struct net_protocol tcp_protocol = { .early_demux = tcp_v4_early_demux, .early_demux_handler = tcp_v4_early_demux, .handler = tcp_v4_rcv, .err_handler = tcp_v4_err, .no_policy = 1, .netns_ok = 1, .icmp_strict_tag_validation = 1, }; static struct net_protocol udp_protocol = { .early_demux = udp_v4_early_demux, .early_demux_handler = udp_v4_early_demux, .handler = udp_rcv, .err_handler = udp_err, .no_policy = 1, .netns_ok = 1, };
在系统初始化的时候，网络协议栈的初始化调用的是 inet_init，它会调用 inet_add_protocol，将 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol、UDP 协议对应的处理函数 udp_protocol，放到 inet_protos 数组中
在上面的网络包的接收过程中，会取出 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol，然后调用 handler 函数，也即 tcp_v4_rcv 函数
网络协议栈的 TCP 层
从 tcp_v4_rcv 函数开始，我们的处理逻辑就从 IP 层到了 TCP 层
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb) { struct net *net = dev_net(skb->dev); const struct iphdr *iph; const struct tcphdr *th; bool refcounted; struct sock *sk; int ret; ...... th = (const struct tcphdr *)skb->data; iph = ip_hdr(skb); ...... TCP_SKB_CB(skb)->seq = ntohl(th->seq); TCP_SKB_CB(skb)->end_seq = (TCP_SKB_CB(skb)->seq + th->syn + th->fin + skb->len - th->doff * 4); TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq = ntohl(th->ack_seq); TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags = tcp_flag_byte(th); TCP_SKB_CB(skb)->tcp_tw_isn = 0; TCP_SKB_CB(skb)->ip_dsfield = ipv4_get_dsfield(iph); TCP_SKB_CB(skb)->sacked = 0; lookup: sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, __tcp_hdrlen(th), th->source, th->dest, &refcounted); process: if (sk->sk_state == TCP_TIME_WAIT) goto do_time_wait; if (sk->sk_state == TCP_NEW_SYN_RECV) { ...... } ...... th = (const struct tcphdr *)skb->data; iph = ip_hdr(skb); skb->dev = NULL; if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) { ret = tcp_v4_do_rcv(sk, skb); goto put_and_return; } ...... if (!sock_owned_by_user(sk)) { if (!tcp_prequeue(sk, skb)) ret = tcp_v4_do_rcv(sk, skb); } else if (tcp_add_backlog(sk, skb)) { goto discard_and_relse; } ...... }
在 tcp_v4_rcv 中，得到 TCP 的头之后，我们可以开始处理 TCP 层的事情。因为 TCP 层是分状态的，状态被维护在数据结构 struct sock 里面，因而我们要根据 IP 地址以及 TCP 头里面的内容，在 tcp_hashinfo 中找到这个包对应的 struct sock，从而得到这个包对应的连接的状态。
接下来，我们就根据不同的状态做不同的处理，例如，上面代码中的 TCP_LISTEN、TCP_NEW_SYN_RECV 状态属于连接建立过程中。这个我们在讲三次握手的时候讲过了。再如，TCP_TIME_WAIT 状态是连接结束的时候的状态，这个我们暂时可以不用看
接下来，我们来分析最主流的网络包的接收过程，这里面涉及三个队列：
backlog 队列
prequeue 队列
sk_receive_queue 队列
为什么接收网络包的过程，需要在这三个队列里面倒腾过来、倒腾过去呢？这是因为，同样一个网络包要在三个主体之间交接。
第一个主体是软中断的处理过程。如果你没忘记的话，我们在执行 tcp_v4_rcv 函数的时候，依然处于软中断的处理逻辑里，所以必然会占用这个软中断。
第二个主体就是用户态进程。如果用户态触发系统调用 read 读取网络包，也要从队列里面找。第三个主体就是内核协议栈。哪怕用户进程没有调用 read，读取网络包，当网络包来的时候，也得有一个地方收着呀。
这时候，我们就能够了解上面代码中 sock_owned_by_user 的意思了，其实就是说，当前这个 sock 是不是正有一个用户态进程等着读数据呢，如果没有，内核协议栈也调用 tcp_add_backlog，暂存在 backlog 队列中，并且抓紧离开软中断的处理过程
如果有一个用户态进程等待读取数据呢？我们先调用 tcp_prequeue，也即赶紧放入 prequeue 队列，并且离开软中断的处理过程。在这个函数里面，我们会看到对于 sysctl_tcp_low_latency 的判断，也即是不是要低时延地处理网络包
如果把 sysctl_tcp_low_latency 设置为 0，那就要放在 prequeue 队列中暂存，这样不用等待网络包处理完毕，就可以离开软中断的处理过程，但是会造成比较长的时延。如果把 sysctl_tcp_low_latency 设置为 1，我们还是调用 tcp_v4_do_rcv
int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) { struct sock *rsk; if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED) { /* Fast path */ struct dst_entry *dst = sk->sk_rx_dst; ...... tcp_rcv_established(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len); return 0; } ...... if (tcp_rcv_state_process(sk, skb)) { ...... } return 0; ...... }
在 tcp_v4_do_rcv 中，分两种情况，一种情况是连接已经建立，处于 TCP_ESTABLISHED 状态，调用 tcp_rcv_established。另一种情况，就是其他的状态，调用 tcp_rcv_state_process
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk); const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb); struct request_sock *req; int queued = 0; bool acceptable; switch (sk->sk_state) { case TCP_CLOSE: ...... case TCP_LISTEN: ...... case TCP_SYN_SENT: ...... } ...... switch (sk->sk_state) { case TCP_SYN_RECV: ...... case TCP_FIN_WAIT1: ...... case TCP_CLOSING: ...... case TCP_LAST_ACK: ...... } /* step 7: process the segment text */ switch (sk->sk_state) { case TCP_CLOSE_WAIT: case TCP_CLOSING: case TCP_LAST_ACK: ...... case TCP_FIN_WAIT1: case TCP_FIN_WAIT2: ...... case TCP_ESTABLISHED: ...... } }
在 tcp_rcv_state_process 中，如果我们对着 TCP 的状态图进行比对，能看到，对于 TCP 所有状态的处理，其中和连接建立相关的状态，咱们已经分析过，所以我们重点关注连接状态下的工作模式。
在连接状态下，我们会调用 tcp_rcv_established。在这个函数里面，我们会调用 tcp_data_queue，将其放入 sk_receive_queue 队列进行处理。
static void tcp_data_queue(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); bool fragstolen = false; ...... if (TCP_SKB_CB(skb)->seq == tp->rcv_nxt) { if (tcp_receive_window(tp) == 0) goto out_of_window; /* Ok. In sequence. In window. */ if (tp->ucopy.task == current && tp->copied_seq == tp->rcv_nxt && tp->ucopy.len && sock_owned_by_user(sk) && !tp->urg_data) { int chunk = min_t(unsigned int, skb->len, tp->ucopy.len); __set_current_state(TASK_RUNNING); if (!skb_copy_datagram_msg(skb, 0, tp->ucopy.msg, chunk)) { tp->ucopy.len -= chunk; tp->copied_seq += chunk; eaten = (chunk == skb->len); tcp_rcv_space_adjust(sk); } } if (eaten <= 0) { queue_and_out: ...... eaten = tcp_queue_rcv(sk, skb, 0, &fragstolen); } tcp_rcv_nxt_update(tp, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq); ...... if (!RB_EMPTY_ROOT(&tp->out_of_order_queue)) { tcp_ofo_queue(sk); ...... } ...... return; } if (!after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq, tp->rcv_nxt)) { /* A retransmit, 2nd most common case. Force an immediate ack. */ tcp_dsack_set(sk, TCP_SKB_CB(skb)->seq, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq); out_of_window: tcp_enter_quickack_mode(sk); inet_csk_schedule_ack(sk); drop: tcp_drop(sk, skb); return; } /* Out of window. F.e. zero window probe. */ if (!before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt + tcp_receive_window(tp))) goto out_of_window; tcp_enter_quickack_mode(sk); if (before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt)) { /* Partial packet, seq < rcv_next < end_seq */ tcp_dsack_set(sk, TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt); /* If window is closed, drop tail of packet. But after * remembering D-SACK for its head made in previous line. */ if (!tcp_receive_window(tp)) goto out_of_window; goto queue_and_out; } tcp_data_queue_ofo(sk, skb); }
在 tcp_data_queue 中，对于收到的网络包，我们要分情况进行处理:
第一种情况，seq == tp->rcv_nxt，说明来的网络包正是我服务端期望的下一个网络包。这个时候我们判断 sock_owned_by_user，也即用户进程也是正在等待读取，这种情况下，就直接 skb_copy_datagram_msg，将网络包拷贝给用户进程就可以了 如果用户进程没有正在等待读取，或者因为内存原因没有能够拷贝成功，tcp_queue_rcv 里面还是将网络包放入 sk_receive_queue 队列。接下来，tcp_rcv_nxt_update 将 tp->rcv_nxt 设置为 end_seq，也即当前的网络包接收成功后，更新下一个期待的网络包。这个时候，我们还会判断一下另一个队列，out_of_order_queue，也看看乱序队列的情况，看看乱序队列里面的包，会不会因为这个新的网络包的到来，也能放入到 sk_receive_queue 队列中。 例如，客户端发送的网络包序号为 5、6、7、8、9。在 5 还没有到达的时候，服务端的 rcv_nxt 应该是 5，也即期望下一个网络包是 5。但是由于中间网络通路的问题，5、6 还没到达服务端，7、8 已经到达了服务端了，这就出现了乱序 乱序的包不能进入 sk_receive_queue 队列。因为一旦进入到这个队列，意味着可以发送给用户进程。然而，按照 TCP 的定义，用户进程应该是按顺序收到包的，没有排好序，就不能给用户进程。所以，7、8 不能进入 sk_receive_queue 队列，只能暂时放在 out_of_order_queue 乱序队列中。 当 5、6 到达的时候，5、6 先进入 sk_receive_queue 队列。这个时候我们再来看 out_of_order_queue 乱序队列中的 7、8，发现能够接上。于是，7、8 也能进入 sk_receive_queue 队列了。tcp_ofo_queue 函数就是做这个事情的。 第二种情况，end_seq 不大于 rcv_nxt，也即服务端期望网络包 5。但是，来了一个网络包 3，怎样才会出现这种情况呢？肯定是服务端早就收到了网络包 3，但是 ACK 没有到达客户端，中途丢了，那客户端就认为网络包 3 没有发送成功，于是又发送了一遍，这种情况下，要赶紧给客户端再发送一次 ACK，表示早就收到了。 第三种情况，seq 不小于 rcv_nxt + tcp_receive_window。这说明客户端发送得太猛了。本来 seq 肯定应该在接收窗口里面的，这样服务端才来得及处理，结果现在超出了接收窗口，说明客户端一下子把服务端给塞满了。 这种情况下，服务端不能再接收数据包了，只能发送 ACK 了，在 ACK 中会将接收窗口为 0 的情况告知客户端，客户端就知道不能再发送了。这个时候双方只能交互窗口探测数据包，直到服务端因为用户进程把数据读走了，空出接收窗口，才能在 ACK 里面再次告诉客户端，又有窗口了，又能发送数据包了 第四种情况，seq 小于 rcv_nxt，但是 end_seq 大于 rcv_nxt，这说明从 seq 到 rcv_nxt 这部分网络包原来的 ACK 客户端没有收到，所以重新发送了一次，从 rcv_nxt 到 end_seq 时新发送的，可以放入 sk_receive_queue 队列。 当前四种情况都排除掉，说明网络包一定是一个乱序包了。这里有点儿难理解，我们还是用上面那个乱序的例子仔细分析一下 rcv_nxt=5。我们假设 tcp_receive_window 也是 5，也即超过 10 服务端就接收不了了。当前来的这个网络包既不在 rcv_nxt 之前（不是 3 这种），也不在 rcv_nxt + tcp_receive_window 之后（不是 11 这种），说明这正在我们期望的接收窗口里面，但是又不是 rcv_nxt（不是我们马上期望的网络包 5），这正是上面的例子中网络包 7、8 的情况。对于网络包 7、8，我们只好调用 tcp_data_queue_ofo 进入 out_of_order_queue 乱序队列，但是没有关系，当网络包 5、6 到来的时候，我们会走第一种情况，把 7、8 拿出来放到 sk_receive_queue 队列中。
Socket 层
当接收的网络包进入各种队列之后，接下来我们就要等待用户进程去读取它们了
读取一个 socket，就像读取一个文件一样，读取 socket 的文件描述符，通过 read 系统调用。read 系统调用对于一个文件描述符的操作，大致过程都是类似的，在文件系统那一节，我们已经详细解析过。最终它会调用到用来表示一个打开文件的结构 stuct file 指向的 file_operations 操作
static const struct file_operations socket_file_ops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = no_llseek, .read_iter = sock_read_iter, .write_iter = sock_write_iter, .poll = sock_poll, .unlocked_ioctl = sock_ioctl, .mmap = sock_mmap, .release = sock_close, .fasync = sock_fasync, .sendpage = sock_sendpage, .splice_write = generic_splice_sendpage, .splice_read = sock_splice_read, };
按照文件系统的读取流程，调用的是 sock_read_iter
static ssize_t sock_read_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *to) { struct file *file = iocb->ki_filp; struct socket *sock = file->private_data; struct msghdr msg = {.msg_iter = *to, .msg_iocb = iocb}; ssize_t res; if (file->f_flags & O_NONBLOCK) msg.msg_flags = MSG_DONTWAIT; ...... res = sock_recvmsg(sock, &msg, msg.msg_flags); *to = msg.msg_iter; return res; }
在 sock_read_iter 中，通过 VFS 中的 struct file，将创建好的 socket 结构拿出来，然后调用 sock_recvmsg，sock_recvmsg 会调用 sock_recvmsg_nosec
static inline int sock_recvmsg_nosec(struct socket *sock, struct msghdr *msg, int flags) { return sock->ops->recvmsg(sock, msg, msg_data_left(msg), flags); }
这里调用了 socket 的 ops 的 recvmsg，这个我们遇到好几次了。根据 inet_stream_ops 的定义，这里调用的是 inet_recvmsg
int inet_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size, int flags) { struct sock *sk = sock->sk; int addr_len = 0; int err; ...... err = sk->sk_prot->recvmsg(sk, msg, size, flags & MSG_DONTWAIT, flags & ~MSG_DONTWAIT, &addr_len); ...... }
这里面，从 socket 结构，我们可以得到更底层的 sock 结构，然后调用 sk_prot 的 recvmsg 方法。这个同样遇到好几次了，根据 tcp_prot 的定义，调用的是 tcp_recvmsg
int tcp_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); int copied = 0; u32 peek_seq; u32 *seq; unsigned long used; int err; int target; /* Read at least this many bytes */ long timeo; struct task_struct *user_recv = NULL; struct sk_buff *skb, *last; ..... do { u32 offset; ...... /* Next get a buffer. */ last = skb_peek_tail(&sk->sk_receive_queue); skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) { last = skb; offset = *seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq; if (offset < skb->len) goto found_ok_skb; ...... } ...... if (!sysctl_tcp_low_latency && tp->ucopy.task == user_recv) { /* Install new reader */ if (!user_recv && !(flags & (MSG_TRUNC | MSG_PEEK))) { user_recv = current; tp->ucopy.task = user_recv; tp->ucopy.msg = msg; } tp->ucopy.len = len; /* Look: we have the following (pseudo)queues: * * 1. packets in flight * 2. backlog * 3. prequeue * 4. receive_queue * * Each queue can be processed only if the next ones * are empty. */ if (!skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue)) goto do_prequeue; } if (copied >= target) { /* Do not sleep, just process backlog. */ release_sock(sk); lock_sock(sk); } else { sk_wait_data(sk, &timeo, last); } if (user_recv) { int chunk; chunk = len - tp->ucopy.len; if (chunk != 0) { len -= chunk; copied += chunk; } if (tp->rcv_nxt == tp->copied_seq && !skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue)) { do_prequeue: tcp_prequeue_process(sk); chunk = len - tp->ucopy.len; if (chunk != 0) { len -= chunk; copied += chunk; } } } continue; found_ok_skb: /* Ok so how much can we use? */ used = skb->len - offset; if (len < used) used = len; if (!(flags & MSG_TRUNC)) { err = skb_copy_datagram_msg(skb, offset, msg, used); ...... } *seq += used; copied += used; len -= used; tcp_rcv_space_adjust(sk); ...... } while (len > 0); ...... }
cp_recvmsg 这个函数比较长，里面逻辑也很复杂，好在里面有一段注释概扩了这里面的逻辑。注释里面提到了三个队列，receive_queue 队列、prequeue 队列和 backlog 队列。这里面，我们需要把前一个队列处理完毕，才处理后一个队列。
tcp_recvmsg 的整个逻辑也是这样执行的：这里面有一个 while 循环，不断地读取网络包。 这里，我们会先处理 sk_receive_queue 队列。如果找到了网络包，就跳到 found_ok_skb 这里。这里会调用 skb_copy_datagram_msg，将网络包拷贝到用户进程中，然后直接进入下一层循环。 直到 sk_receive_queue 队列处理完毕，我们才到了 sysctl_tcp_low_latency 判断。如果不需要低时延，则会有 prequeue 队列。 于是，我们能就跳到 do_prequeue 这里，调用 tcp_prequeue_process 进行处理。如果 sysctl_tcp_low_latency 设置为 1，也即没有 prequeue 队列，或者 prequeue 队列为空，则需要处理 backlog 队列，在 release_sock 函数中处理。
release_sock 会调用 __release_sock，这里面会依次处理队列中的网络包
void release_sock(struct sock *sk) { ...... if (sk->sk_backlog.tail) __release_sock(sk); ...... } static void __release_sock(struct sock *sk) __releases(&sk->sk_lock.slock) __acquires(&sk->sk_lock.slock) { struct sk_buff *skb, *next; while ((skb = sk->sk_backlog.head) != NULL) { sk->sk_backlog.head = sk->sk_backlog.tail = NULL; do { next = skb->next; prefetch(next); skb->next = NULL; sk_backlog_rcv(sk, skb); cond_resched(); skb = next; } while (skb != NULL); } ...... }
最后，哪里都没有网络包，我们只好调用 sk_wait_data，继续等待在哪里，等待网络包的到来
总结
- 硬件网卡接收到网络包之后，通过 DMA 技术，将网络包放入 Ring Buffer；
- 硬件网卡通过中断通知 CPU 新的网络包的到来；网卡驱动程序会注册中断处理函数 ixgb_intr；
- 中断处理函数处理完需要暂时屏蔽中断的核心流程之后，通过软中断 NET_RX_SOFTIRQ 触发接下来的处理过程；
- NET_RX_SOFTIRQ 软中断处理函数 net_rx_action，net_rx_action 会调用 napi_poll，进而调用 ixgb_clean_rx_irq，从 Ring Buffer 中读取数据到内核 struct sk_buff；
- 调用 netif_receive_skb 进入内核网络协议栈，进行一些关于 VLAN 的二层逻辑处理后，调用 ip_rcv 进入三层 IP 层；在 IP 层，会处理 iptables 规则，然后调用 ip_local_deliver 交给更上层 TCP 层；在 TCP 层调用 tcp_v4_rcv，这里面有三个队列需要处理，如果当前的 Socket 不是正在被读；
- 取，则放入 backlog 队列，如果正在被读取，不需要很实时的话，则放入 prequeue 队列，其他情况调用 tcp_v4_do_rcv；
- 在 tcp_v4_do_rcv 中，如果是处于 TCP_ESTABLISHED 状态，调用 tcp_rcv_established，其他的状态，调用 tcp_rcv_state_process；
- 在 tcp_rcv_established 中，调用 tcp_data_queue，如果序列号能够接的上，则放入 sk_receive_queue 队列；
- 如果序列号接不上，则暂时放入 out_of_order_queue 队列，等序列号能够接上的时候，再放入 sk_receive_queue 队列。
至此内核接收网络包的过程到此结束，接下来就是用户态读取网络包的过程，这个过程分成几个层次
- VFS 层：read 系统调用找到 struct file，根据里面的 file_operations 的定义，调用 sock_read_iter 函数。sock_read_iter 函数调用 sock_recvmsg 函数。
- Socket 层：从 struct file 里面的 private_data 得到 struct socket，根据里面 ops 的定义，调用 inet_recvmsg 函数。
- Sock 层：从 struct socket 里面的 sk 得到 struct sock，根据里面 sk_prot 的定义，调用 tcp_recvmsg 函数。
- TCP 层：tcp_recvmsg 函数会依次读取 receive_queue 队列、prequeue 队列和 backlog 队列
