Linux网络协议栈(四)——链路层(1)

1、接收帧
当网络适配器接收到数据帧时,就会触发一个中断,中断处理程序执行一些需要及时处理的任务,然后在下半部进行其它可以延迟的处理。中断处理程序主要进行以下一些操作:
(1)    分配sk_buff数据结构,并将接收到的数据帧从网络适配器I/O端口拷贝到sk_buff缓冲区中;
(2)    从数据帧中提取出一些信息,并设置sk_buff相应的参数,这些参数将被上层的网络协议使用,例如skb->protocol;
(3)    通过软中断NET_RX_SOFTIRQ通知内核接收到新的数据帧。

内核2.5中引入一组新的API来处理接收的数据帧,即NAPI。所以,当网络适配器接收到数据帧时,驱动有两种方式通知内核:(1)通过以前的函数netif_rx;(2)通过NAPI机制,但是只有很少的驱动使用它。
1.1、softnet_data数据结构
//include/linux/netdevice.h
struct softnet_data
{
    
int            throttle;
    
int            cng_level;
    
int            avg_blog;
    
struct sk_buff_head    input_pkt_queue;
    
struct list_head    poll_list;
    
struct net_device    *output_queue;
    
struct sk_buff        *completion_queue;

    
struct net_device    backlog_dev;    /* Sorry. 8) */
};
这个数据结构同时用于接收与发送数据包,它为per_CPU结构,这样每个CPU有自己独立的信息,这样在SMP之间就避免了加锁操作,从而大大提高了数据处理的并发性。

throttle、avg_blog和cng_level
这三个参数主要用于阻塞管理(congestion management)。throttle非0时,表示CPU负荷过载,它的值取决于input_pkt_queue,当throttle设置时,CPU接收到的所有数据帧都被丢弃。avg_blog表示输入队列input_pkt_queue的平均长度,它的范围从0到netdev_max_backlog(最大值),它用来计算cng_level。cng_level表示阻塞的程度. avg_blog 和 cng_level与CPU处理的input_pkt_queue相关联,仅用于non_NAPI设备。

struct net_device *output_queue;  
struct sk_buff *completion_queue;
这两个域用于发送数据。

struct sk_buff_head  input_pkt_queue;
struct list_head poll_list;
struct net_device backlog_dev;  
这三个域用于接收数据,其中input_pkt_queue与backlog_dev仅用于non-NAPI的 NIC,input_pkt_queue是接收到的数据队列头,它用于netif_rx()中,并最终由虚拟的poll函数 process_backlog()处理这个SKB队列。
poll_list则是有数据包等待处理的NIC设备队列。对于non-NAPI驱动来说,它始终是backlog_dev。

Softnet_data的初始化:
每个CPU的softnet_data是在net_dev_init中初始化的,代码如下:
    for (i = 0; i < NR_CPUS; i++) {
        
struct softnet_data *queue;

        queue 
= &per_cpu(softnet_data,i);
        skb_queue_head_init(
&queue->input_pkt_queue);
        queue
->throttle = 0;
        queue
->cng_level = 0;
        queue
->avg_blog = 10/* arbitrary non-zero */
        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);
    }
1.2、NON-NAPI方式:
来看看vortex_rx是怎么调用netif_rx的,大部分的网络设备驱动使用方式与其相似:
static int vortex_rx(struct net_device *dev)
{
//
struct sk_buff *skb;
skb 
= dev_alloc_skb(pkt_len + 5);//分配缓冲区
if (skb != NULL) {
                skb
->dev = dev;//设置接收包的网络设备
                
//将data和tail指针下移2个字节,使得IP头在缓冲区存储时可以16字节的边界上对齐
                skb_reserve(skb, 2);    /* Align IP on 16 byte boundaries */
                
//将数据帧从I/O端口拷贝到sk_buff缓冲区
                skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
                netif_rx(skb);
                dev
->last_rx = jiffies;//接收到数据的时间
                vp->stats.rx_packets++;
                
//
                }
}

netif_rx( )函数
netif_rx通常在驱动的中断处理程序(严格意义来说,应该是中断服务例程,ISR)中被调用,但是也有例外,那就是回环设备。
Code
这段代码关键是,将这个SKB加入到相应的input_pkt_queue队列中,并调用netif_rx_schedule(),而对于NAPI方式,它没有使用input_pkt_queue队列,而是使用私有的队列,所以它没有这一个步骤。

1.3、NAPI方式
net_device中与NAPI相关的字段:
poll
从设备的输入队列取缓冲区的虚拟函数。对于NAPI,输入队列是私有的;对于NON_API设备,输入队列为softnet_data->input_pkt_queue。
poll_list
输入队列有新的数据帧需要处理的设备的链表,这些设备此时处于polling状态,表头为softnet_data->poll_list。位于链表中的设备关闭中断,正被内核查询。
quota
weight
quota表示poll每次可以从输入队列中取的最大缓冲区数。weight 成员描述接口的相对重要性:当资源紧张时,有多少流量可以从接口收到。如何设置 weight 参数没有严格的规则;依照惯例, 10 MBps 以太网接口设置 weight 为 16, 而快一些的接口使用 64. 你不能设置 weight 为一个超过你的接口能够存储的报文数目的值。quota值以weight为基础进行更新。

使用NAPI:
Code
可以看到,两种方式的不同之处在于,NAPI方式直接调用 netif_rx_schedule,而非NAPI方式则要通过辅助函数netif_rx()设置好接收队列再调用 netif_rx_schedule(),再者,在非NAPI方式中,提交的是 netif_rx_schedule(&queue->backlog_dev),而NAPI中,提交的是 netif_rx_schedule (netdev),即是设备驱动的net_device结构,而不是queue中的backlog_dev。

netif_rx_schedule函数
Code
整个过程如下:


1.4、net_rx_action( )函数
net_rx_action为处理接收数据帧的下半部函数,输入的数据帧在两个地方等待net_rx_action来处理:
(1)    CPU的输入队列。这是针对NON-NAPI方式的,它调用netif_rx,将数据帧加入到CPU的输入队列softnet_data->input_pkt_queue。
(2)    设备缓存。对于NAPI方式,poll函数从设备缓存读取数据帧。
Code

1.5、process_backlog函数
对于non-API方式,poll函数为process_backlog:
Code
该函数主要从CPU输入队列中取出套接字缓冲区,然后通过调用netif_receive_skb,将sb_buff传递给上层协议处理。budget 参数提供了一个我们允许传给内核的最大报文数目。在设备结构里, quota 成员给出了另一个最大值; poll 方法必须遵守这两个限制中的较小者。它也应当以实际收到的报文数目递减 dev->quota 和 *budget. budget 值是当前 CPU 能够从所有接口收到的最多报文数目, 而 quota 是一个每接口值, 常常在初始化时安排给接口以 weight 为起始。

1.6 NAPI的poll函数
这种方式下,NIC驱动程序会提供自己的poll函数和私有接收队列。
如intel 8255x系列网卡程序e100,它有在初始化的时候首先分配一个接收队列,而不像以上那种方式在接收到数据帧的时候再为其分配数据空间。这样,NAPI的poll函数在处理接收的时候,它遍历的是自己的私有队列:
Code
主要工作在e100_rx_indicate()中完成,这主要重设SKB的一些参数,然后跟process_backlog(),一样,最终调用netif_receive_skb(skb)。

1.7 netif_receive_skb函数
netif_receive_skb是链路层接收数据报的最后一站。它根据注册在全局数组ptype_all和ptype_base里的网络层数据报类型,把数据报递交给不同的网络层协议的接收函数(INET域中主要是ip_rcv和arp_rcv)。
Code
该函数主要就是调用第三层协议的接收函数处理该skb包,进入第三层网络层处理。
posted @ 2009-09-26 10:41 YY哥 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏