linux网络收包过程

记录一下linux数据包从网卡进入协议栈的过程，不涉及驱动，不涉及其他层的协议处理。

内核是如何知道网卡收到数据的，这就涉及到网卡和内核的交互方式：

轮询(poll)：内核周期性的检查网卡，查看是否收到数据。优点：数据包非常多的时候，这种处理方法会非常快速有效。缺点：数据包少的时候会CPU总是轮询却没有收到数据包，造成CPU资源的浪费。这种方法很少使用。

中断(interrupt)：网卡收到数据就给内核发送硬件中断打断内核的正常运行，让内核来处理数据包。优点：在数据包少的时候CPU能及时中断其他任务来处理数据包，比较高效。缺点：数据包多的时候每个数据包都引发一次中断，造成CPU频繁地在收包过程和其他过程之间切换，浪费时间。在极端情况下收包中断可能会一直抢占CPU造成软中断无法运行，收包队列得不到处理，进而造成大量丢包。这就是所谓的receive-livelock。

Llinux早期是采用中断的方式处理数据包的，之后引入了另一种方式NAPI，NAPI结合了轮询和中断的优点，在数据包少的时候采用中断方式，数据包多的时候采用轮询的方式，从而在两种极端情况下也会有比较好的表现。

在NAPI下收包的过程

先看一个比较关键的结构softnet_data，每个逻辑CPU都有一个softnet_data结构，这个结构的poll_list是非常重要的。

struct softnet_data
{
        struct net_device       *output_queue;
        //收报队列，这个队列是给传统收报方法兼容新收报架构用的(backlog_dev)，用来模拟NAPI的
        struct sk_buff_head     input_pkt_queue;
        //用于收包的net_device
        struct list_head        poll_list;
        struct sk_buff          *completion_queue;

        //backlog_dev是一个伪造的net_device用来来处理input_pkt_queue里的数据
        struct net_device       backlog_dev;    /* Sorry. 8) */
};

收包过程可以分成两步：

1. 当网卡收到数据包中断发生，中断处理程序就会把当前网卡的net_device插入当前CPU的softnet_data的poll_list链表，调度软中断。
2.  软中断处理链表poll_list，读出数据包，放入协议栈。

第一步的中断的代码可以参考drivers/net/tg3.c文件的tg3_interrupt函数，中断发生的时候它会调用netif_rx_schedule把当前网卡的net_device插入当前CPU的softnet_data的poll_list链表。netif_rx_schedule函数又调度了软中断NET_RX_SOFTIRQ。大致结构就是下图这样子

第二步软中断在合适的时机得以执行，看一下他的执行过程：

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
        struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
        unsigned long start_time = jiffies;
        //预算，所有网卡的总配额
        int budget = netdev_budget;
        void *have;

        local_irq_disable();

        while (!list_empty(&queue->poll_list)) {
                struct net_device *dev;

                //预算用完了，或者时间太长了，跳出等下一轮处理
                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);
                have = netpoll_poll_lock(dev);

                if (dev->quota <= 0 || dev->poll(dev, &budget)) {
                        netpoll_poll_unlock(have);
                        local_irq_disable();
                        //没处理完，放到队尾准备下次处理，注意是list_move_tai，不是
                        //list_insert_tail
                        list_move_tail(&dev->poll_list, &queue->poll_list);
                        if (dev->quota < 0)
                                dev->quota += dev->weight;
                        else
                                dev->quota = dev->weight;
                } else {
                        netpoll_poll_unlock(have);
                        dev_put(dev);
                        local_irq_disable();
                }
        }
        //省略部分代码
}

软中断不能长时间占用CPU，否则会造成用户态进程长时间得不到调度，net_rx_action也一样。所以net_rx_action函数每次执行最多会处理budget个数据包（所有网卡都算），同时这budget个数据包也需要平均分配，不能只处理一个网卡造成其他网卡得不到处理，net_device的weight和quota是用来处理这个问题的。这个代码的大概意思是每次从poll_list里取出一个网卡，调用该网卡的poll函数尽可能多的收包（但是不会超过weight），poll函数收包后调用netif_receive_skb把数据包放入协议栈。如果网卡里的数据包没处理完就会把net_device继续放到poll_list链表等待下一次软中断继续处理，如果网卡里的数据包处理完了就把该net_device从poll_list摘除。

传统中断收包方式

linux网卡驱动还有部分是用的传统中断收包方式，为了兼容也都挪到了NAPI架构上。用softnet_data结构的backlog_dev伪造了一个net_device。中断发生的时候把数据包放到了softnet_data结构的input_pkt_queue链表里。

static int __init net_dev_init(void)
{
//省略部分代码
        for_each_possible_cpu(i) {
                struct softnet_data *queue;

                queue = &per_cpu(softnet_data, i);
                skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
                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);
        }
}

软中断的处理过程和NAPI类似。