本来想继续写 socket 实现，发现网络栈是一个整体，不搞懂网卡与内核的交互，就缺少了最重要的一环。参考内核 4.4, 只梳理了大致框架，忽略很多细节，比如 sriov, xdp
网卡中断逻辑
网卡接到数据后，触发中断，内核回调中断处理程序 ISR. 一般中断都会分成上半部和下半部 (bh), 上半部执行时间短，不允许程序休眠，并且此时中断处于禁止状态。下半部有多种实现，网卡使用软中断，由 ksoftirqd 处理，耗时较长。
在石器时代，网卡中断只由一个 cpu 处理，但是在大数据高吐吞时，就会把某个核(一般是 cpu0) 拖跨，一直频繁的响应中断，严重影响网卡吞吐。所以就有了硬件层面的 RSS 概念，receive side scaling，网卡实现多个队列，每个队列一个中断并且绑定到不同 cpu, 将中断分摊到多个 cpu. 如果硬件不支持硬件队列呢？就有了 RPS 概念，在软件层面模拟一个队列，如果有 RSS，就没必要用 RPS
读取网卡数据有两种方式：中断和轮循。只有中断会使 cpu 负载变得很高，一直忙于响应中断。只用轮循时延得不到保证，会使其它进程恶心。为了高效的使用 cpu，现代操作系统都是采用 中断 + 轮循 的方式，这就是下面会提到的 NAPI
操作系统网络初始化
在网卡正式工作前，先由内核为网络做准备工作。内核调用 net/dev/core.c net_dev_init 初始化网络，主要做如下工作：
-
dev_proc_init在操作系统/proc/net目录下生成相关文件，/proc/net/dev,/proc/net/ptype,/proc/net/dev_mcast存放一些统计及状态信息 -
netdev_kobject_init创建操作系统目录/sys/class/net, 当网卡启动后都会在这里进行注册，方便查看 - 初始化全局
ptype_all结构，这里存放不同协义族如何处理接收数据包的回调。打印/proc/net/ptype文件可以看到全部，比如ip_rcv, 这一块很重要 -
for_each_possible_cpu初始化每个 cpu 的局部变量，per_cpu是一个宏，表示他所引用的变量，每个 cpu 都有一个私有的。
for_each_possible_cpu(i) {
struct work_struct *flush = per_cpu_ptr(&flush_works, i);
struct softnet_data *sd = &per_cpu(softnet_data, i);
INIT_WORK(flush, flush_backlog);
skb_queue_head_init(&sd->input_pkt_queue);
skb_queue_head_init(&sd->process_queue);
INIT_LIST_HEAD(&sd->poll_list);
sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;
#ifdef CONFIG_RPS
sd->csd.func = rps_trigger_softirq;
sd->csd.info = sd;
sd->cpu = i;
#endif
sd->backlog.poll = process_backlog;
sd->backlog.weight = weight_p;
}
work_struct 每个 cpu 都会有一个，如果网卡消失了，那么回调 flush_backlog 释放属于这个网卡的 skb. 接下来最重要的就是 softnet_data 结构体，非常重要，所有网卡的数据包都是挂载到某个 cpu, 就是放在这个结构体里。如果开启了 RPS，设置软中断回调。最后设置 backlog.poll 回调 process_backlog，这个就是 NAPI Poll
-
open_softirq设置软中断传输发送回调分别是net_tx_action,net_rx_action -
cpuhp_setup_state_nocalls注册通知事件，如果 cpu 坏掉，那么dev_cpu_dead将坏掉 cpu 的本地网络包，转移到其它 cpu
网卡初始化
分为两个阶段，在驱动加载时调用 ixgbe_probe 初始化硬件一次，当网卡激活，也就是 if up 时调用 ixgbe_open 初始化与操作系统相关工作。这里以 intel 网卡举例，老的是 igb，新的驱动是 igbxe, 代码路径 drivers/net/ethernet/intel/ixgbe. 有的商用服务器会用 broadcom 网卡，价格便宜一些，驱动原理相近。
代码有些涉及硬件知识，不影响分析的情况下忽略。这里涉及几个重要结构体，网卡本身是一个 pci 设备，所以自然是 pci_dev, 并且有 pci_dev_id. 所有网卡在内核都用 net_device 来抽象表示。
ixgbe_probe
函数声明如下，传入 pci_dev 设备
int ixgbe_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
- 激活网卡内存，配置设备
DMA, 在内核虚拟地址空间申请地址，保留网卡 io, memory 地址 - 最重要的是调用
alloc_etherdev_mq在内核分配空间，生成net_device结构并初始化。这里重点关注indices用来初始化RSS队列，默认 64 个队列。 -
ioremap将网卡 pci 地址重新映射，赋值给hw_addr,io_addr -
ixgbe_set_ethtool_ops设置ethtool操作接口，这样将网卡操作抽象出来。 -
ixgbe_sw_init初始化网卡私有数据，这里看到设置RSS队列个数逻辑min_t(int, ixgbe_max_rss_indices(adapter), num_online_cpus())，取硬件队列和 cpu 的最小值。 -
ixgbe_enable_sriov打开sriov硬件虚拟化 -
eth_platform_get_mac_address设置网卡硬件mac地址和mac filter -
ixgbe_init_interrupt_scheme申请中断，优先判断硬件是否支持MSI-X, 检查中断向量num_q_vector个数，取 cpu 核数和硬件队列最小值，分配中断向量空间msix_entries. 查看测试机，由于 cpu 总核数 40，所以num_q_vector也是 40. 如果不支持MSI-X那么设置num_q_vectors为 1. -
ixgbe_alloc_q_vectors在内核申请空间，可以看到队列结构体ixgbe_ring是和ixgbe_q_vector一起分配的，将vector中断和队列绑定，rx和tx两个队列同时绑定到一个vector中断，理想情况下一对队列拥有一个中断，如果中断不够用，那么会有多个共用。这里还涉及到 cpu 亲缘性和 numa. 最后netif_napi_add给每个中断设置NAPI_POLL回调。 -
ixgbe_cache_ring_rss将队列ixgbe_ring与硬件RSS关联对应 -
register_netdev该网卡设备注册到名字空间
ixgbe_probe 主要功能就是生成 net_device 结构, 读取硬件 mac 地址，将网卡注册到系统中。由于支持 msi-x 根据 cpu 个数配置硬件中断和队列，设置 ixgbe_poll 回调。
ixgbe_open
第二个初始化的函数，在网卡激活时调用。其本功能很简单，申请所有 rx, tx 队列资源，申请中断，配置 msi-x.
-
ixgbe_setup_all_tx_resources分配发送队列，每个队列申请自己的DMA地址，总长度sizeof(struct ixgbe_tx_buffer) * tx_ring->count, 其中count就是大家常说的网卡队列ring buffer个数，默认 512，一般都要调大，防止丢包。 -
ixgbe_setup_all_rx_resources同理，分配接收队列，我的测试机是 40 个列队。 -
ixgbe_configure设置网卡虚拟化，接收模式，flow director等等，最后调用ixgbe_configure_tx,ixgbe_configure_rx网卡硬件配置接收发送队列。 -
ixgbe_request_irq向操作系统申请irq硬中断，当前网卡支持msi-x，最终调用ixgbe_request_msix_irqs申请中断向量，并配置中断回调ixgbe_msix_clean_rings
网卡硬中断处理流程
这个图非常简单，大致流程如下：
┌────────────────┐ 4.Call ┌───────────────┐ 5.Raise ┌─────────────────┐
│ │ Back │ │ softirq │ │
│ CPU │─────────────▶ │ NIC DRIVER │──────────────▶│ KSOFTSWAPD │
│ │ │ │ │ │
└────────────────┘ └───────────────┘ └─────────────────┘
▲ │
3.Raise │ │
IRQ │ │
│ │
│ │
┌────────────────┐ ▼
│ │
│ │
│ │
│ NIC │
1. packet │ │
──────────▶ │ │
│ │
│ │ ┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│ ┌────────┐ │ 2. DMA │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ DMA │ ──┼─────────▶ │ │ │ │ │ │ │ │
│ └────────┘ │ │ │ │ │ │ │ │ │
└────────────────┘ └────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
Ring buffer
- 网卡接收数据包，如果没有开启混杂模式，那么
filter过滤掉不属于自己mac的包。 - 由
DMA控制器将数据包写到内存。 - 网卡通知
cpu产生硬中断，触发 callbackixgbe_msix_clean_rings, 此时q_vector网卡硬中断处于关闭状态。
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);
}
将等待轮循列表添加到 cpu 私有变量 softnet_data 里，然后触发软中断 NET_RX_SOFTIRQ
- 每个 cpu 都有一个软中断守护进程
KSOFTIRQD, 由他负责回调处理。
其实这里有个疑问，ring buffer 每个队列有一个，那数据包到来后如何选择写到哪个呢？另外，直到此时网卡硬中断还处于关闭状态。
软中断处理数据
在操作系统初始化得知，软中断回调 net_rx_action 来完成数据包的轮循，但不是死循环，有两个退出条件：处理数据超过 budget 配额或是超时一定时间，代码写写 300个和 2000us. 如果有未处理数据，再次触发软中断，等待调度。最后打开硬中断。
这个逻辑在函数 ixgbe_poll 里，当前 cpu 不止一个队列，所以会将配额尽可能得分配。对于发送，接收队列分别调用 ixgbe_clean_tx_irq, ixgbe_clean_rx_irq 处理。
ixgbe_clean_rx_irq: 每个 ixgbe_ring 保存一个环形数组，ring buffer，读出 skb 数据后调用 ixgbe_rx_skb 开始处理，如果开启了 GRO 那么合并小包，然后再查看是否有 RPS 逻辑，如果有就走，没有就调用 __netif_receive_skb 根据上文提到的 ptype_all，来选择是 ip_rcv, 还是 ipv6_rcv 再继续上层逻辑。调用 ip_rcv 之后会回调 NF_INET_PRE_ROUTING hook, 也就是大家都熟悉的 iptables pre_routing 链。
ixgbe_clean_tx_irq: 每次限制发送 q_vector->tx.work_limit 个报文，底层网卡逻辑暂时不看了。
关于接收数据时 RPS
ixgbe_rx_skb 处理数据包时，先判断是否开启 RPS, 如果 get_rps_cpu 返回 cpu, 那么将 skb 数据包入队列 softnet_data.input_pkt_queue, 最后触发软中断 net_rx_action，那么这个软中断回调是哪个函数呢？是 process_backlog，在 net_dev_init 里指定。最终还是走到 __netif_receive_skb 逻辑。
其间队列可能满，会丢弃包，通过 netdev_max_backlog 来调节 backlog 队列大小。
网友评论