[内核源码] Linux 网络数据接收流程(TCP)- NAPI

2021-12-29

走读 Linux(5.0.1)源码,理解 TCP 网络数据接收和读取工作流程(NAPI)。

要搞清楚数据的接收和读取流程,需要梳理这几个角色之间的关系:网卡(本文:e1000),主存,CPU,网卡驱动,内核,应用程序。


1. 简述

简述数据接收处理流程。

  1. 网卡(NIC)接收数据。
  2. 网卡通过 DMA 方式将接收到的数据写入主存。
  3. 网卡通过硬中断通知 CPU 处理主存上的数据。
  4. 网卡驱动(NIC driver)启用软中断,消费主存上的数据。
  5. 内核(TCP/IP)协议层处理数据,将数据缓存到对应的 socket 上。
  6. 应用程序读取对应 socket 上已接收的数据。

图片来源:《图解 TCP_IP》


2. 总流程

  1. 网卡驱动注册到内核,方便内核与网卡进行交互。
  2. 内核启动网卡,为网卡工作分配资源(ring buffer)和注册硬中断处理 e1000_intr。
  3. 网卡(NIC)接收数据。
  4. 网卡通过 DMA 方式将接收到的数据写入主存(步骤 2 内核通过网卡驱动将 DMA 内存地址信息写入网卡寄存器,使得网卡获得 DMA 内存信息)。
  5. 网卡触发硬中断,通知 CPU 已接收数据。
  6. CPU 收到网卡的硬中断,调用对应的处理函数 e1000_intr。
  7. 网卡驱动函数先禁止网卡中断,避免频繁硬中断,降低内核的工作效率。
  8. 网卡驱动将 napi_struct.poll_list 挂在 softnet_data.poll_list 上,方便后面软中断调用 napi_struct.poll 获取网卡数据。
  9. 然后启用 NET_RX_SOFTIRQ -> net_rx_action 内核软中断。
  10. 内核软中断线程消费网卡 DMA 方式写入主存的数据。
  11. 内核软中断遍历 softnet_data.poll_list,调用对应的 napi_struct.poll -> e1000_clean 读取网卡 DMA 方式写入主存的数据。
  12. e1000_clean 遍历 ring buffer 通过 dma_sync_single_for_cpu 接口读取 DMA 方式写入主存的数据,并将数据拷贝到 e1000_copybreak 创建的 skb 包。
  13. 网卡驱动读取到 skb 包后,需要将该包传到网络层处理。在这过程中,需要通过 GRO (Generic receive offload) 接口:napi_gro_receive 进行处理,将小包合并成大包,然后通过 __netif_receive_skb 将 skb 包交给 TCP/IP 协议逐层处理,最后将 skb 包追加到 socket.sock.sk_receive_queue 队列,等待应用处理;如果 read / epoll_wait 阻塞等待读取数据,那么唤醒进程/线程。
  14. skb 包需要传到网络层,如果内核开启了 RPS (Receive Package Steering) 功能,为了利用多核资源,(enqueue_to_backlog)需要将数据包负载均衡到各个 CPU,那么这个 skb 包将会通过哈希算法,挂在某个 cpu 的接收队列上(softnet_data.input_pkt_queue),然后等待软中断调用 softnet_data 的 napi 接口 process_backlog(softnet_data.backlog.poll)将接收队列上的数据包通过 __netif_receive_skb 交给网络层处理。
  15. 网卡驱动读取了网卡写入的数据,并将数据包交给协议栈处理后,需要通知网卡已读(ring buffer)数据的位置,将位置信息写入网卡 RDT 寄存器(writel(i, hw->hw_addr + rx_ring->rdt)),方便网卡继续往 ring buffer 填充数据。
  16. 网卡驱动重新设置允许网卡触发硬中断(e1000_irq_enable),重新执行步骤 3。
  17. 用户程序(或被唤醒)调用 read 接口读取 socket.sock.sk_receive_queue 上的数据并拷贝到用户空间。

3. 要点

网卡 PCI 驱动,NAPI 中断缓解技术,软硬中断,DMA 内存直接访问技术。

  • 源码结构关系。
  • 要点关系。

3.1. 网卡驱动

网卡是硬件,内核通过网卡驱动与网卡交互。

网卡 e1000 的 intel 驱动(e1000_driver)在 linux 目录:drivers/net/ethernet/intel/e1000

驱动注册(e1000_probe)到内核,启动网卡(e1000_open),为网卡分配系统资源,方便内核与网卡进行交互。

PCI 是 Peripheral Component Interconnect (外设部件互连标准) 的缩写,它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口,几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。


3.2. NAPI

NAPI (New API) 中断缓解技术,它是 Linux 上采用的一种提高网络处理效率的技术。一般情况下,网卡接收到数据,通过硬中断通知 CPU 进行处理,但是当网卡有大量数据涌入时,频繁中断使得网卡和 CPU 工作效率低下,所以系统采用了硬中断 + 软中断轮询(poll)技术,提升数据接收处理效率(详细流程请参考上面的总流程)。

举个 🌰:餐厅人少时,客户点菜,服务员可以一对一提供服务,客户点一个菜,服务员记录一下;但是人多了,服务员就忙不过来了,这时服务员可以为每张桌子提供一张菜单,客户慢慢看,选好菜了,就通知服务员处理,这样效率就高很多了。


3.3. 中断

中断分上下半部。

  1. 上半部硬中断主要保存数据,网卡通过硬中断通知 CPU 有数据到来。
  2. 下半部内核通过软中断处理接收的数据。
  • 注册中断。
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# 内核启动初始化,注册软中断。
kernel_init
|-- net_dev_init
    |-- open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

##########################################

# ioctl 接口触发开启网卡。
ksys_ioctl
|-- do_vfs_ioctl
    |-- __dev_open
        |-- e1000_configure
            |-- e1000_configure_rx
                |-- adapter->clean_rx = e1000_clean_rx_irq; # 软中断处理接收数据包接口。
        |-- e1000_request_irq
            |-- request_irq(adapter->pdev->irq, e1000_intr, ...); # 注册网卡硬中断 e1000_intr。
  • 硬中断处理。
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do_IRQ
|-- e1000_intr
    |-- ew32(IMC, ~0); # 禁止网卡硬中断。
    |-- __napi_schedule
        |-- list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list); # 将网卡的 napi 挂在 softnet_data 上。
        |-- __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); # 开启软中断处理接收数据。
  • 软中断。
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# 软中断,处理数据包,放进 socket buffer,数据包处理完后,开启硬中断。
__do_softirq
|-- net_rx_action
    |-- napi_poll # 遍历 softnet_data.poll_list
        |-- e1000_clean
            |-- e1000_clean_rx_irq
                |-- e1000_receive_skb
                    |-- napi_gro_receive
                        |-- __netif_receive_skb
                            |-- ip_rcv
                                |-- tcp_v4_rcv
                                    |-- ...
##########################################
     if |-- process_backlog # 开启了 RPS。
            |-- ...
                |-- __netif_receive_skb
                    |-- ...
##########################################        
            |-- e1000_irq_enable # 重新开启硬中断。

3.4. DMA

DMA(Direct Memory Access)可以使得外部设备可以不用 CPU 干预,直接把数据传输到内存,这样可以解放 CPU,提高系统性能。它是 NAPI 中断缓解技术,实现的重要一环。

3.4.1. 网卡与驱动交互

  1. 系统通过 ring buffer 环形缓冲区管理内存描述符,通过一致性 DMA 映射(dma_alloc_coherent)描述符(e1000_rx_desc)数组,方便 CPU 和网卡同步访问。
  2. 环形缓冲区内存描述符指向的内存块(e1000_rx_buffer)通过 DMA 流式映射(dma_map_single),提供网卡写入。
  3. 网卡接收到数据,写入网卡缓存。
  4. 当网卡开始收到数据包后,通过 DMA 方式将数据拷贝到主存,并通过硬中断通知 CPU。
  5. CPU 接收到硬中断,禁止网卡再触发硬中断(虽然硬中断被禁止了,但是网卡可以继续接收数据,并将数据拷贝到主存),然后唤醒 CPU 软中断(NET_RX_SOFTIRQ -> net_rx_action)。
  6. 软中断从主存中读取处理网卡 DMA 方式写入的数据(skb),并将数据交给 TCP/IP 协议逐层处理。
  7. 在有限的时间内一定数量的主存上的数据被处理完后,系统将空闲的(ring buffer)内存描述符提供给网卡,方便网卡下次写入。
  8. 重新开启网卡硬中断,走上述步骤 3。

3.4.2. ring buffer

例如:e1000 网卡环形缓冲区(e1000_rx_ring)。

系统分配内存缓冲区,映射为 DMA 内存,提供网卡直接访问。

下图(图片来源:stack overflow)简述了 NIC <–> DMA <–> RAM 三者关系。

  • ring buffer 数据结构。
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#ifdef CONFIG_ARCH_DMA_ADDR_T_64BIT
typedef u64 dma_addr_t;
#else
typedef u32 dma_addr_t;
#endif

/* drivers/net/ethernet/intel/e1000/e1000.h */
/* board specific private data structure */
struct e1000_adapter {
    ...
    /* RX */
    bool (*clean_rx)(struct e1000_adapter *adapter,
             struct e1000_rx_ring *rx_ring,
             int *work_done, int work_to_do);
    void (*alloc_rx_buf)(struct e1000_adapter *adapter,
                 struct e1000_rx_ring *rx_ring,
                 int cleaned_count);
    struct e1000_rx_ring *rx_ring;      /* One per active queue */
    ...
};

struct e1000_rx_ring {
    /* pointer to the descriptor ring memory */
    void *desc; /* 内存描述符(e1000_rx_desc)数组。 */
    /* physical address of the descriptor ring */
    dma_addr_t dma; /* e1000_rx_desc 数组的一致性 DMA 地址。 */
    /* length of descriptor ring in bytes */
    unsigned int size; /* e1000_rx_desc 数组占用空间大小。 */
    /* number of descriptors in the ring */
    unsigned int count; /* e1000_rx_desc 描述符个数。 */
    /* next descriptor to associate a buffer with */
    unsigned int next_to_use; /* 刷新最新空闲内存位置,写入网卡寄存器通知网卡(next_to_use - 1)。*/
    /* next descriptor to check for DD status bit */
    unsigned int next_to_clean; /* Descriptor Done 标记下次要从该位置取出数据。*/
    /* array of buffer information structs */
    struct e1000_rx_buffer *buffer_info; /* 流式 DMA 内存,提供网卡通过内存描述符访问内存,DMA 方式写入数据。 */
    struct sk_buff *rx_skb_top;

    /* cpu for rx queue */
    int cpu;

    u16 rdh;
    u16 rdt;
};

/* 描述符指向的内存块。*/
struct e1000_rx_buffer {
    union {
        struct page *page; /* jumbo: alloc_page */
        u8 *data; /* else, netdev_alloc_frag */
    } rxbuf;
    dma_addr_t dma;
};

/* Receive Descriptor - 内存描述符。*/
struct e1000_rx_desc {
    /* buffer_addr 指向 e1000_rx_buffer.dma 地址。*/
    __le64 buffer_addr; /* Address of the descriptor's data buffer */
    __le16 length;      /* Length of data DMAed into data buffer */
    __le16 csum;        /* Packet checksum */
    /* status:网卡写入数据到内存描述符对应的内存块,当前内存数据状态。 */
    u8 status;          /* Descriptor status */
    u8 errors;          /* Descriptor Errors */
    __le16 special;
};
  • 工作流程。
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e1000_open
|-- e1000_setup_all_tx_resources
    |-- e1000_setup_tx_resources
        |-- txdr->desc = dma_alloc_coherent # 一致性 DMA 映射内存描述符(CPU 和网卡可以同步访问)。
|-- e1000_configure(adapter);
    |-- e1000_alloc_rx_buffers
        |-- e1000_alloc_frag # 分配数据接收空间 skb。
        |-- dma_map_single(..., DMA_FROM_DEVICE) # 流式 DMA 映射内存到网卡设备。
        |-- writel(i, hw->hw_addr + rx_ring->rdt); # 将新的空闲描述符位置,写入网卡寄存器,通知网卡获取重新写入数据。

# 软中断调用驱动接口,从主存上读取网卡写入的数据,
__do_softirq
|-- net_rx_action
    |-- napi_poll
        |-- e1000_clean
            |-- e1000_clean_rx_irq
                |-- e1000_copybreak # 从网卡写入主存的数据(skb),拷贝一份出来。
                    |-- e1000_alloc_rx_skb # 创建一个新的 skb,方便数据拷贝。
                    |-- dma_sync_single_for_cpu # 驱动通过该接口访问网卡 DMA 方式写入的数据。
                    |-- skb_put_data # 将数据写入 skb。
                |-- e1000_receive_skb # 从 ring buffer 取出网卡写入的数据。
                |-- e1000_alloc_rx_buffers # 对应的 DMA 内存已经被系统读取,那么将该空闲的内存信息传递给网卡重新写入数据。(这个函数,不展开了,参考上面相应描述。)
  • ring buffer 偏移原理。

    e1000_rx_ring.desc 指针指向了一个 e1000_rx_desc 数组,网卡和网卡驱动都通过这个数组进行读写数据。这个数组被称为 环形缓冲区:通过数组下标遍历数组,下标指向数组末位后,重新指向数组第一个位置,看起来像个环形结构,——理解它需要些抽象思维;因为网卡和网卡驱动都操作它,所以每个对象都维护了自己的一套 headtail 进行标识。

  1. 初始状态,下标都指向数组一个元素 e1000_rx_ring.desc[0]。
  2. 网卡接收到数据通过 DMA 方式拷贝到主存(e1000_rx_ring.desc[i] -> e1000_rx_buffer),如下图,NIC.RDH 顺时针偏移,NIC.RDT 到 NIC.RDH 的 e1000_rx_desc[i]->e1000_rx_buffer 内存块都填充了接收数据。
  3. 网卡驱动顺时针遍历 ring buffer,根据网卡更新的 e1000_rx_ring.desc[i].status 状态,读取 e1000_rx_ring.desc[i] 指向的 e1000_rx_buffer 数据块,因为读取数据有时间限制(jiffies)和数据量限制(budget),网卡驱动不一定能一次性读取完成网卡写入主存的数据,所以最后读取的数据位置要进行记录,通过 e1000_rx_ring.next_to_clean 记录下一次要读取数据的位置。
  4. 既然网卡驱动已经读取了数据,那么已读取的数据已经没用了,可以(清理)重新提供给网卡继续写入,那么需要把下次要清理的位置记录起来:e1000_rx_ring.next_to_use。
  5. 但是这时候网卡还不知道驱动消费数据到哪个位置,那么驱动清理掉数据后,将已清理最后的位置(e1000_rx_ring.next_to_use - 1)写入网卡寄存器 RDT,告诉网卡,下次可以(顺时针)写入数据,从 NIC.RDH 到 NIC.RDT。

4. 参考