Linux网络子系统的实现

科技绿洲 2023-11-11 1270

描述

Linux网络子系统的分层

Linux网络子系统实现需要：

l 支持不同的协议族 ( INET, INET6, UNIX, NETLINK...)

l 支持不同的网络设备

l 支持统一的BSD socket API

需要屏蔽协议、硬件、平台(API)的差异，因而采用分层结构：

系统调用提供用户的应用程序访问内核的唯一途径。协议无关接口由socket layer来实现的，其提供一组通用功能，以支持各种不同的协议。网络协议层为socket层提供具体协议接口——proto{}，实现具体的协议细节。设备无关接口，提供一组通用函数供底层网络设备驱动程序使用。设备驱动与特定网卡设备相关，定义了具体的协议细节，会分配一个net_device结构，然后用其必需的例程进行初始化。

TCP/IP分层模型

在TCP/IP网络分层模型里，整个协议栈被分成了物理层、链路层、网络层，传输层和应用层。物理层对应的是网卡和网线，应用层对应的是我们常见的Nginx，FTP等等各种应用。Linux实现的是链路层、网络层和传输层这三层。

在Linux内核实现中，链路层协议靠网卡驱动来实现，内核协议栈来实现网络层和传输层。内核对更上层的应用层提供socket接口来供用户进程访问。我们用Linux的视角来看到的TCP/IP网络分层模型应该是下面这个样子的。

首先我们梳理一下每层模型的职责：

链路层：对0和1进行分组，定义数据帧，确认主机的物理地址，传输数据;

网络层：定义IP地址，确认主机所在的网络位置，并通过IP进行MAC寻址，对外网数据包进行路由转发;

传输层：定义端口，确认主机上应用程序的身份，并将数据包交给对应的应用程序;

应用层：定义数据格式，并按照对应的格式解读数据。

然后再把每层模型的职责串联起来，用一句通俗易懂的话讲就是：

当你输入一个网址并按下回车键的时候，首先，应用层协议对该请求包做了格式定义;紧接着传输层协议加上了双方的端口号，确认了双方通信的应用程序;然后网络协议加上了双方的IP地址，确认了双方的网络位置;最后链路层协议加上了双方的MAC地址，确认了双方的物理位置，同时将数据进行分组，形成数据帧，采用广播方式，通过传输介质发送给对方主机。而对于不同网段，该数据包首先会转发给网关路由器，经过多次转发后，最终被发送到目标主机。目标机接收到数据包后，采用对应的协议，对帧数据进行组装，然后再通过一层一层的协议进行解析，最终被应用层的协议解析并交给服务器处理。

Linux 网络协议栈

基于TCP/IP协议栈的send/recv在应用层，传输层，网络层和链路层中具体函数调用过程已经有很多人研究，本文引用一张比较完善的图如下：

以上说明基本大致说明了TCP/IP中TCP，UDP协议包在网络子系统中的实现流程。本文主要在链路层中，即关于网卡收报触发中断到进入网络层之间的过程探究。

Linux 网卡收包时的中断处理问题

中断，一般指硬件中断，多由系统自身或与之链接的外设（如键盘、鼠标、网卡等）产生。中断首先是处理器提供的一种响应外设请求的机制，是处理器硬件支持的特性。一个外设通过产生一种电信号通知中断控制器，中断控制器再向处理器发送相应的信号。处理器检测到了这个信号后就会打断自己当前正在做的工作，转而去处理这次中断（所以才叫中断）。当然在转去处理中断和中断返回时都有保护现场和返回现场的操作，这里不赘述。

   那软中断又是什么呢？我们知道在中断处理时CPU没法处理其它事物，对于网卡来说，如果每次网卡收包时中断的时间都过长，那很可能造成丢包的可能性。当然我们不能完全避免丢包的可能性，以太包的传输是没有100%保证的，所以网络才有协议栈，通过高层的协议来保证连续数据传输的数据完整性（比如在协议发现丢包时要求重传）。但是即使有协议保证，那我们也不能肆无忌惮的使用中断，中断的时间越短越好，尽快放开处理器，让它可以去响应下次中断甚至进行调度工作。基于这样的考虑，我们将中断分成了上下两部分，上半部分就是上面说的中断部分，需要快速及时响应，同时需要越快结束越好。而下半部分就是完成一些可以推后执行的工作。对于网卡收包来说，网卡收到数据包，通知内核数据包到了，中断处理将数据包存入内存这些都是急切需要完成的工作，放到上半部完成。而解析处理数据包的工作则可以放到下半部去执行。

软中断就是下半部使用的一种机制，它通过软件模仿硬件中断的处理过程，但是和硬件没有关系，单纯的通过软件达到一种异步处理的方式。其它下半部的处理机制还包括tasklet，工作队列等。依据所处理的场合不同，选择不同的机制，网卡收包一般使用软中断。对应NET_RX_SOFTIRQ这个软中断，软中断的类型如下：

enum
{
        HI_SOFTIRQ=0,
        TIMER_SOFTIRQ,
        NET_TX_SOFTIRQ,
        NET_RX_SOFTIRQ,
        BLOCK_SOFTIRQ,
        IRQ_POLL_SOFTIRQ,
        TASKLET_SOFTIRQ,
        SCHED_SOFTIRQ,
        HRTIMER_SOFTIRQ,
        RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */
        NR_SOFTIRQS
};

通过以上可以了解到，Linux中断注册显然应该包括网卡的硬中断，包处理的软中断两个步骤。

l 注册网卡中断

我们以一个具体的网卡驱动为例，比如e1000。其模块初始化函数就是：

static int __init e1000_init_module(void)
{
int ret;
        pr_info("%s - version %sn", e1000_driver_string, e1000_driver_version);
        pr_info("%sn", e1000_copyright);
        ret = pci_register_driver(&e1000_driver);
...
return ret;

}

其中e1000_driver这个结构体是一个关键，这个结构体中很主要的一个方法就是.probe方法，也就是e1000_probe()：

/**                                                  

 * e1000_probe - Device Initialization Routine         
 * @pdev: PCI device information struct                    
 * @ent: entry in e1000_pci_tbl     
 *                                
 * Returns 0 on success, negative on failure                                                                               
 *                                                                                                               
 * e1000_probe initializes an adapter identified by a pci_dev structure.                                                               
 * The OS initialization, configuring of the adapter private structure,                                                                  
 * and a hardware reset occur.                                                      
 **/
static int e1000_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
{
...
...
        netdev- >netdev_ops = &e1000_netdev_ops;
        e1000_set_ethtool_ops(netdev);
...
...
}

这个函数很长，我们不都列出来，这是e1000主要的初始化函数，即使从注释都能看出来。我们留意其注册了netdev的netdev_ops，用的是e1000_netdev_ops这个结构体：

static const struct net_device_ops e1000_netdev_ops = {
        .ndo_open               = e1000_open,
        .ndo_stop               = e1000_close,
        .ndo_start_xmit         = e1000_xmit_frame,
        .ndo_set_rx_mode        = e1000_set_rx_mode,
        .ndo_set_mac_address    = e1000_set_mac,
        .ndo_tx_timeout         = e1000_tx_timeout,
...
...
};

这个e1000的方法集里有一个重要的方法，e1000_open，我们要说的中断的注册就从这里开始：

/**           
 * e1000_open - Called when a network interface is made active  
 * @netdev: network interface device structure            
 *                                                 
 * Returns 0 on success, negative value on failure     
 *     
 * The open entry point is called when a network interface is made                                                                                                    
 * active by the system (IFF_UP).  At this point all resources needed                                                                            
 * for transmit and receive operations are allocated, the interrupt                                                     
 * handler is registered with the OS, the watchdog task is started,                                                                                                     
 * and the stack is notified that the interface is ready.                                                                                                             
 **/
int e1000_open(struct net_device *netdev)
{
struct e1000_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);
struct e1000_hw *hw = &adapter- >hw;
...
...
        err = e1000_request_irq(adapter);
...
}

e1000在这里注册了中断：

static int e1000_request_irq(struct e1000_adapter *adapter)
{
struct net_device *netdev = adapter- >netdev;
        irq_handler_t handler = e1000_intr;
int irq_flags = IRQF_SHARED;
int err;
        err = request_irq(adapter- >pdev- >irq, handler, irq_flags, netdev- >name,
...
...
}

如上所示，这个被注册的中断处理函数，也就是handler，就是e1000_intr()。我们不展开这个中断处理函数看了，我们知道中断处理函数在这里被注册了，在网络包来的时候会触发这个中断函数。

l 注册软中断

内核初始化期间，softirq_init会注册TASKLET_SOFTIRQ以及HI_SOFTIRQ相关联的处理函数。

void __init softirq_init(void)
{
    ......
    open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
    open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}

网络子系统分两种soft IRQ。NET_TX_SOFTIRQ和NET_RX_SOFTIRQ，分别处理发送数据包和接收数据包。这两个soft IRQ在net_dev_init函数（net/core/dev.c）中注册：

open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);

open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

收发数据包的软中断处理函数被注册为net_rx_action和net_tx_action。其中open_softirq实现为：

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
    softirq_vec[nr].action = action;
}

从硬中断到软中断

Linux 网络启动的准备工作

首先在开始收包之前，Linux要做许多的准备工作：

创建ksoftirqd线程，为它设置好它自己的线程函数，后面就指望着它来处理软中断呢。
协议栈注册，linux要实现许多协议，比如arp，icmp，ip，udp，tcp，每一个协议都会将自己的处理函数注册一下，方便包来了迅速找到对应的处理函数
网卡驱动初始化，每个驱动都有一个初始化函数，内核会让驱动也初始化一下。在这个初始化过程中，把自己的DMA准备好，把NAPI的poll函数地址告诉内核
启动网卡，分配RX，TX队列，注册中断对应的处理函数

l 创建ksoftirqd内核线程

Linux的软中断都是在专门的内核线程（ksoftirqd）中进行的，因此我们非常有必要看一下这些进程是怎么初始化的，这样我们才能在后面更准确地了解收包过程。该进程数量不是1个，而是N个，其中N等于你的机器的核数。

系统初始化的时候在kernel/smpboot.c中调用了smpboot_register_percpu_thread，该函数进一步会执行到spawn_ksoftirqd（位于kernel/softirq.c）来创建出softirqd进程。

Linux网络包：中断到网络层接收

网卡收包从整体上是网线中的高低电平转换到网卡FIFO存储再拷贝到系统主内存（DDR3）的过程，其中涉及到网卡控制器，CPU，DMA，驱动程序，在OSI模型中属于物理层和链路层，如下图所示。

l 中断上半文

物理网卡收到数据包的处理流程如上图左半部分所示，详细步骤如下：

网卡收到数据包，先将高低电平转换到网卡fifo存储，网卡申请ring buffer的描述，根据描述找到具体的物理地址，从fifo队列物理网卡会使用DMA将数据包写到了该物理地址,，其实就是skb_buffer中.
这个时候数据包已经被转移到skb_buffer中，因为是DMA写入，内核并没有监控数据包写入情况，这时候NIC触发一个硬中断，每一个硬件中断会对应一个中断号，且指定一个vCPU来处理，如上图vcpu2收到了该硬件中断.
硬件中断的中断处理程序，调用驱动程序完成，a.启动软中断
硬中断触发的驱动程序会禁用网卡硬中断，其实这时候意思是告诉NIC，再来数据不用触发硬中断了，把数据DMA拷入系统内存即可
硬中断触发的驱动程序会启动软中断，启用软中断目的是将数据包后续处理流程交给软中断慢慢处理，这个时候退出硬件中断了，但是注意和网络有关的硬中断，要等到后续开启硬中断后，才有机会再次被触发
NAPI触发软中断，触发napi系统
消耗ringbuffer指向的skb_buffer
NAPI循环处理ringbuffer数据，处理完成
启动网络硬件中断，有数据来时候就可以继续触发硬件中断，继续通知CPU来消耗数据包.

其实上述过程过程简单描述为：网卡收到数据包，DMA到内核内存，中断通知内核数据有了，内核按轮次处理消耗数据包，一轮处理完成后，开启硬中断。其核心就是网卡和内核其实是生产和消费模型，网卡生产，内核负责消费，生产者需要通知消费者消费；如果生产过快会产生丢包，如果消费过慢也会产生问题。也就说在高流量压力情况下，只有生产消费优化后，消费能力够快，此生产消费关系才可以正常维持，所以如果物理接口有丢包计数时候，未必是网卡存在问题，也可能是内核消费的太慢。

关于CPU与ksoftirqd的关系可以描述如下：

l 网卡收到的数据写入到内核内存

NIC在接收到数据包之后，首先需要将数据同步到内核中，这中间的桥梁是rx ring buffer。它是由NIC和驱动程序共享的一片区域，事实上，rx ring buffer存储的并不是实际的packet数据，而是一个描述符，这个描述符指向了它真正的存储地址，具体流程如下：

驱动在内存中分配一片缓冲区用来接收数据包，叫做sk_buffer;
将上述缓冲区的地址和大小（即接收描述符），加入到rx ring buffer。描述符中的缓冲区地址是DMA使用的物理地址;
驱动通知网卡有一个新的描述符;
网卡从rx ring buffer中取出描述符，从而获知缓冲区的地址和大小;
网卡收到新的数据包;
网卡将新数据包通过DMA直接写到sk_buffer中。

当驱动处理速度跟不上网卡收包速度时，驱动来不及分配缓冲区，NIC接收到的数据包无法及时写到sk_buffer，就会产生堆积，当NIC内部缓冲区写满后，就会丢弃部分数据，引起丢包。这部分丢包为rx_fifo_errors，在 /proc/net/dev中体现为fifo字段增长，在ifconfig中体现为overruns指标增长。

l 中断下半文

ksoftirqd内核线程处理软中断，即中断下半部分软中断处理过程：

1.NAPI（以e1000网卡为例）：net_rx_action() -> e1000_clean() -> e1000_clean_rx_irq() -> e1000_receive_skb() -> netif_receive_skb()

2.非NAPI（以dm9000网卡为例）：net_rx_action() -> process_backlog() -> netif_receive_skb()

最后网卡驱动通过netif_receive_skb()将sk_buff上送协议栈。

内核线程初始化的时候，我们介绍了ksoftirqd中两个线程函数ksoftirqd_should_run和run_ksoftirqd。其中ksoftirqd_should_run代码如下：

#define local_softirq_pending() 

__IRQ_STAT(smp_processor_id(), __softirq_pending)

这里看到和硬中断中调用了同一个函数local_softirq_pending。使用方式不同的是硬中断位置是为了写入标记，这里仅仅只是读取。如果硬中断中设置了NET_RX_SOFTIRQ,这里自然能读取的到。接下来会真正进入线程函数中run_ksoftirqd处理：

static void run_ksoftirqd(unsigned int cpu)
{
    local_irq_disable();
if (local_softirq_pending()) {
        __do_softirq();
        rcu_note_context_switch(cpu);
        local_irq_enable();
        cond_resched();
return;
    }
    local_irq_enable();
}

在__do_softirq中，判断根据当前CPU的软中断类型，调用其注册的action方法。

asmlinkage void __do_softirq(void)

在网络子系统初始化小节，我们看到我们为NET_RX_SOFTIRQ注册了处理函数net_rx_action。所以net_rx_action函数就会被执行到了。

这里需要注意一个细节，硬中断中设置软中断标记，和ksoftirq的判断是否有软中断到达，都是基于smp_processor_id()的。这意味着只要硬中断在哪个CPU上被响应，那么软中断也是在这个CPU上处理的。所以说，如果你发现你的Linux软中断CPU消耗都集中在一个核上的话，做法是要把调整硬中断的CPU亲和性，来将硬中断打散到不通的CPU核上去。

我们再来把精力集中到这个核心函数net_rx_action上来。

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
struct softnet_data *sd = &__get_cpu_var(softnet_data);
    unsigned long time_limit = jiffies + 2;
int budget = netdev_budget;
void *have;
    local_irq_disable();
while (!list_empty(&sd- >poll_list)) {
        ......
        n = list_first_entry(&sd- >poll_list, struct napi_struct, poll_list);
        work = 0;
if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n- >state)) {
            work = n- >poll(n, weight);
            trace_napi_poll(n);
        }
        budget -= work;
    }
}

函数开头的time_limit和budget是用来控制net_rx_action函数主动退出的，目的是保证网络包的接收不霸占CPU不放。等下次网卡再有硬中断过来的时候再处理剩下的接收数据包。其中budget可以通过内核参数调整。这个函数中剩下的核心逻辑是获取到当前CPU变量softnet_data，对其poll_list进行遍历, 然后执行到网卡驱动注册到的poll函数。对于igb网卡来说，就是igb驱动力的igb_poll函数了。

/**
 *  igb_poll - NAPI Rx polling callback
 *  @napi: napi polling structure
 *  @budget: count of how many packets we should handle
 **/
static int igb_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{
    ...
if (q_vector- >tx.ring)
        clean_complete = igb_clean_tx_irq(q_vector);
if (q_vector- >rx.ring)
        clean_complete &= igb_clean_rx_irq(q_vector, budget);
    ...
}

在读取操作中，igb_poll的重点工作是对igb_clean_rx_irq的调用。

static bool igb_clean_rx_irq(struct igb_q_vector *q_vector, const int budget)
{
    ...
do {
/* retrieve a buffer from the ring */
        skb = igb_fetch_rx_buffer(rx_ring, rx_desc, skb);
/* fetch next buffer in frame if non-eop */
        if (igb_is_non_eop(rx_ring, rx_desc))
continue;
        }
/* verify the packet layout is correct */
        if (igb_cleanup_headers(rx_ring, rx_desc, skb)) {
            skb = NULL;
continue;
        }
/* populate checksum, timestamp, VLAN, and protocol */
        igb_process_skb_fields(rx_ring, rx_desc, skb);
        napi_gro_receive(&q_vector- >napi, skb);
}

igb_fetch_rx_buffer和igb_is_non_eop的作用就是把数据帧从RingBuffer上取下来。为什么需要两个函数呢？因为有可能帧要占多多个RingBuffer，所以是在一个循环中获取的，直到帧尾部。获取下来的一个数据帧用一个sk_buff来表示。收取完数据以后，对其进行一些校验，然后开始设置sbk变量的timestamp, VLAN id, protocol等字段。接下来进入到napi_gro_receive中:

//file: net/core/dev.c
gro_result_t napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb)
{
    skb_gro_reset_offset(skb);
return napi_skb_finish(dev_gro_receive(napi, skb), skb);
}

dev_gro_receive这个函数代表的是网卡GRO特性，可以简单理解成把相关的小包合并成一个大包就行，目的是减少传送给网络栈的包数，这有助于减少 CPU 的使用量。我们暂且忽略，直接看napi_skb_finish, 这个函数主要就是调用了netif_receive_skb。

//file: net/core/dev.c
static gro_result_t napi_skb_finish(gro_result_t ret, struct sk_buff *skb)
{
switch (ret) {
case GRO_NORMAL:
if (netif_receive_skb(skb))
            ret = GRO_DROP;
break;
    ......
}

在netif_receive_skb中，数据包将被送到协议栈中，接下来在网络层协议层的处理流程便不再赘述。

总结

l send发包过程

1、网卡驱动创建tx descriptor ring（一致性DMA内存），将tx descriptor ring的总线地址写入网卡寄存器TDBA

2、协议栈通过dev_queue_xmit()将sk_buff下送网卡驱动

3、网卡驱动将sk_buff放入tx descriptor ring，更新TDT

4、DMA感知到TDT的改变后，找到tx descriptor ring中下一个将要使用的descriptor

5、DMA通过PCI总线将descriptor的数据缓存区复制到Tx FIFO

6、复制完后，通过MAC芯片将数据包发送出去

7、发送完后，网卡更新TDH，启动硬中断通知CPU释放数据缓存区中的数据包

l recv收包过程

1、网卡驱动创建rx descriptor ring（一致性DMA内存），将rx descriptor ring的总线地址写入网卡寄存器RDBA

2、网卡驱动为每个descriptor分配sk_buff和数据缓存区，流式DMA映射数据缓存区，将数据缓存区的总线地址保存到descriptor

3、网卡接收数据包，将数据包写入Rx FIFO

4、DMA找到rx descriptor ring中下一个将要使用的descriptor

5、整个数据包写入Rx FIFO后，DMA通过PCI总线将Rx FIFO中的数据包复制到descriptor的数据缓存区

6、复制完后，网卡启动硬中断通知CPU数据缓存区中已经有新的数据包了，CPU执行硬中断函数：

NAPI（以e1000网卡为例）：e1000_intr() -> __napi_schedule() -> __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ)

非NAPI（以dm9000网卡为例）：dm9000_interrupt() -> dm9000_rx() -> netif_rx() -> napi_schedule() -> __napi_schedule() -> __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ)

7、ksoftirqd执行软中断函数net_rx_action()：

NAPI（以e1000网卡为例）：net_rx_action() -> e1000_clean() -> e1000_clean_rx_irq() -> e1000_receive_skb() -> netif_receive_skb()

非NAPI（以dm9000网卡为例）：net_rx_action() -> process_backlog() -> netif_receive_skb()

8、网卡驱动通过netif_receive_skb()将sk_buff上送协议栈

Linux网络子系统的分层

Linux网络子系统实现需要：

支持不同的协议族 ( INET, INET6, UNIX, NETLINK...)
支持不同的网络设备
支持统一的BSD socket API

需要屏蔽协议、硬件、平台(API)的差异，因而采用分层结构：

打开APP阅读更多精彩内容