深入理解Linux网络技术内幕——帧的接收与传输

忘是亡心i 2022-08-07 10:59 191阅读 0赞

# 帧的接收 #

## NAPI与netif\_rx（非NAPI） ##

Linux内核获取网络帧到达通知的方式有两中：中断和轮询。（中断值设备向内核发出中断，轮询指linux内核主动轮询设备）

在早起的linux内核中，网络帧主要以中断的方式通知linux内核帧的到达。这是非NAPI方式。

现在的操作系统中，linux内核使用NAPI方式， 获取帧到达的消息。NAPI混合使用了中断和轮询。

**netif\_rx（非NAPI）：**

每一个帧接收完毕时，设备向内核发送一个中断。（在低流量负载的情况下，这种方式对比轮询优势明显。但是由于中断处理需要一些额外的开销，在高流量负载下，由于要频繁处理中断，因此会造成不少的网络开销。）

**NAPI：**

在低流量负载下，使用轮询方式通知内核网络帧接收完毕。在高流量负载下使用轮询方式。

在NAPI机制下：

对于设备来说，当一个帧接收完毕，进入设备输入队列，这时驱动程序不会立即向内核发送中断，而是先判断内核是否还在处理设备输入队列中的帧，如果是，则先不发送中断，内核自然会处理设备输入队列中的帧。

对于内核来说，从接到一个中断开始处理设备输入队列中的网络帧，处理完一个网络帧时，内核不会先去做其他事，而是先轮询设备输入队列，看看还有没有其他帧要处理。如果有，则循环处理；如果设备输入队列中的帧都处理完了，就可以去做其他事，等待设备驱动程序下一次发来中断。

## NAIP机制实现 ##

我们知道，每个cpu都有这样的一个队列，它主要是用来存储incoming frame。由于他是每个cpu都有一个队列，因此在不同的cpu之间我们就不要任何锁来控制并发的处理这个帧队列。我们在操作系统层要取得帧数据，都是通过这个数据来读取。

struct softnet_data
    {
        struct Qdisc        *output_queue;      //qdisc是queueing discipline的简写，也就是排队规则，即qos.这里也就是输出帧的控制。
        struct sk_buff_head input_pkt_queue;    //当输入帧被驱动取得之前，就保存在这个队列里，（不适用与napi驱动，napi有自己的私有队列）
        struct list_head    poll_list;          //表示有输入帧待处理的设备链表。 
        struct sk_buff      *completion_queue;  //表示已经成功被传递出的帧的链表。
    
        struct napi_struct  backlog;            //用来兼容非napi的驱动。                                                                    
    };

napi在结构体softnet\_data中使用了struct list\_head    poll\_list;     和struct napi\_struct  backlog;            //用来兼容非napi的驱动。

struct napi_struct {
        /* The poll_list must only be managed by the entity which
         * changes the state of the NAPI_STATE_SCHED bit.  This means
         * whoever atomically sets that bit can add this napi_struct
         * to the per-cpu poll_list, and whoever clears that bit
         * can remove from the list right before clearing the bit.
         */
        struct list_head    poll_list; //设备列表（在入口队列有新帧等待处理的设备）
    
        unsigned long       state;
        int         weight;
        int         (*poll)(struct napi_struct *, int); //把缓冲区从设备的入口队列（NAPI私有队列，softnet_data->input_pkt_queue不同）退出
    #ifdef CONFIG_NETPOLL
        spinlock_t      poll_lock;
        int         poll_owner;
    #endif
    
        unsigned int        gro_count;
    
        struct net_device   *dev;
        struct list_head    dev_list;
        struct sk_buff      *gro_list;
        struct sk_buff      *skb;                                                                                                           
    };

我们需要注意poll\_list成员，它表示在输入队列中有帧需要处理的设备链表，这是用来支持轮询的。这个链表中的设备都处于关中断的状态。内核在适当时间进行轮询处理这些设备接收到的帧。