Linux TCP 网络数据接收流程 NAPI

孤独的坚持

走读 Linux（5.0.1）源码，理解 TCP 网络数据接收和读取工作流程（NAPI）。
要搞清楚数据的接收和读取流程，需要梳理这几个角色之间的关系：网卡（本文：e1000），主存，CPU，网卡驱动，内核，应用程序。

• 1. 简述
  
• 2. 总流程
  
• 3. 要点
  
  
  
  • 3.4.1. 网卡与驱动交互
    
  • 3.4.2. ring buffer
    
  • 3.1. 网卡驱动
    
  • 3.2. NAPI
    
  • 3.3. 中断
    
  • 3.4. DMA
    
  
  

<hr/>1. 简述

简述数据接收处理流程。

• 网卡（NIC）接收数据。
  
• 网卡通过 DMA 方式将接收到的数据写入主存。
  
• 网卡通过硬中断通知 CPU 处理主存上的数据。
  
• 网卡驱动（NIC driver）启用软中断，消费主存上的数据。
  
• 内核（TCP/IP）协议层处理数据，将数据缓存到对应的 socket 上。
  
• 应用程序读取对应 socket 上已接收的数据。
  

图片来源：《图解 TCP_IP》

<hr/>2. 总流程

• 网卡驱动注册到内核，方便内核与网卡进行交互。
  
• 内核启动网卡，为网卡工作分配资源（ring buffer）和注册硬中断处理 e1000_intr。
  
• 网卡（NIC）接收数据。
  
• 网卡通过 DMA 方式将接收到的数据写入主存（步骤 2 内核通过网卡驱动将 DMA 内存地址信息写入网卡寄存器，使得网卡获得 DMA 内存信息）。
  
• 网卡触发硬中断，通知 CPU 已接收数据。
  
• CPU 收到网卡的硬中断，调用对应的处理函数 e1000_intr。
  
• 网卡驱动函数先禁止网卡中断，避免频繁硬中断，降低内核的工作效率。
  
• 网卡驱动将 napi_struct.poll_list 挂在 softnet_data.poll_list 上，方便后面软中断调用 napi_struct.poll 获取网卡数据。
  
• 然后启用 NET_RX_SOFTIRQ -> net_rx_action 内核软中断。
  
• 内核软中断线程消费网卡 DMA 方式写入主存的数据。
  
• 内核软中断遍历 softnet_data.poll_list，调用对应的 napi_struct.poll -> e1000_clean 读取网卡 DMA 方式写入主存的数据。
  
• e1000_clean 遍历 ring buffer 通过 dma_sync_single_for_cpu 接口读取 DMA 方式写入主存的数据，并将数据拷贝到 e1000_copybreak 创建的 skb 包。
  
• 网卡驱动读取到 skb 包后，需要将该包传到网络层处理。在这过程中，需要通过 GRO (Generic receive offload) 接口：napi_gro_receive 进行处理，将小包合并成大包，然后通过 __netif_receive_skb 将 skb 包交给 TCP/IP 协议逐层处理，最后将 skb 包追加到 socket.sock.sk_receive_queue 队列，等待应用处理；如果 read / epoll_wait 阻塞等待读取数据，那么唤醒进程/线程。
  
• skb 包需要传到网络层，如果内核开启了 RPS (Receive Package Steering) 功能，为了利用多核资源，（enqueue_to_backlog）需要将数据包负载均衡到各个 CPU，那么这个 skb 包将会通过哈希算法，挂在某个 cpu 的接收队列上（softnet_data.input_pkt_queue），然后等待软中断调用 softnet_data 的 napi 接口 process_backlog（softnet_data.backlog.poll）将接收队列上的数据包通过 __netif_receive_skb 交给网络层处理。
  
• 网卡驱动读取了网卡写入的数据，并将数据包交给协议栈处理后，需要通知网卡已读（ring buffer）数据的位置，将位置信息写入网卡 RDT 寄存器（writel(i, hw->hw_addr + rx_ring->rdt)），方便网卡继续往 ring buffer 填充数据。
  
• 网卡驱动重新设置允许网卡触发硬中断（e1000_irq_enable），重新执行步骤 3。
  
• 用户程序（或被唤醒）调用 read 接口读取 socket.sock.sk_receive_queue 上的数据并拷贝到用户空间。
  

<hr/>3. 要点

网卡 PCI 驱动，NAPI 中断缓解技术，软硬中断，DMA 内存直接访问技术。

• 源码结构关系。
  

• 要点关系。
  

<hr/>3.1. 网卡驱动

网卡是硬件，内核通过网卡驱动与网卡交互。
网卡 e1000 的 intel 驱动（e1000_driver）在 linux 目录：drivers/net/ethernet/intel/e1000
驱动注册（e1000_probe）到内核，启动网卡（e1000_open），为网卡分配系统资源，方便内核与网卡进行交互。

PCI 是 Peripheral Component Interconnect (外设部件互连标准) 的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。

<hr/>3.2. NAPI

NAPI (New API) 中断缓解技术，它是 Linux 上采用的一种提高网络处理效率的技术。一般情况下，网卡接收到数据，通过硬中断通知 CPU 进行处理，但是当网卡有大量数据涌入时，频繁中断使得网卡和 CPU 工作效率低下，所以系统采用了硬中断 + 软中断轮询（poll）技术，提升数据接收处理效率（详细流程请参考上面的总流程）。

举个  ：餐厅人少时，客户点菜，服务员可以一对一提供服务，客户点一个菜，服务员记录一下；但是人多了，服务员就忙不过来了，这时服务员可以为每张桌子提供一张菜单，客户慢慢看，选好菜了，就通知服务员处理，这样效率就高很多了。

<hr/>3.3. 中断

中断分上下半部。

• 上半部硬中断主要保存数据，网卡通过硬中断通知 CPU 有数据到来。
  
• 下半部内核通过软中断处理接收的数据。
  

• 注册中断。
  

• 硬中断处理。
  

• 软中断
  

<hr/>3.4. DMA

DMA（Direct Memory Access）可以使得外部设备可以不用 CPU 干预，直接把数据传输到内存，这样可以解放 CPU，提高系统性能。它是 NAPI 中断缓解技术，实现的重要一环。
3.4.1. 网卡与驱动交互

• 系统通过 ring buffer 环形缓冲区管理内存描述符，通过一致性 DMA 映射（dma_alloc_coherent）描述符（e1000_rx_desc）数组，方便 CPU 和网卡同步访问。
  
• 环形缓冲区内存描述符指向的内存块（e1000_rx_buffer）通过 DMA 流式映射（dma_map_single），提供网卡写入。
  
• 网卡接收到数据，写入网卡缓存。
  
• 当网卡开始收到数据包后，通过 DMA 方式将数据拷贝到主存，并通过硬中断通知 CPU。
  
• CPU 接收到硬中断，禁止网卡再触发硬中断（虽然硬中断被禁止了，但是网卡可以继续接收数据，并将数据拷贝到主存），然后唤醒 CPU 软中断（NET_RX_SOFTIRQ -> net_rx_action）。
  
• 软中断从主存中读取处理网卡 DMA 方式写入的数据（skb），并将数据交给 TCP/IP 协议逐层处理。
  
• 在有限的时间内一定数量的主存上的数据被处理完后，系统将空闲的（ring buffer）内存描述符提供给网卡，方便网卡下次写入。
  
• 重新开启网卡硬中断，走上述步骤 3。
  

<hr/>3.4.2. ring buffer

例如：e1000 网卡环形缓冲区（e1000_rx_ring）。
系统分配内存缓冲区，映射为 DMA 内存，提供网卡直接访问。
下图（图片来源：stack overflow）简述了 NIC <–> DMA <–> RAM 三者关系。

• ring buffer 数据结构。
  

• 工作流程。
  

• ring buffer 偏移原理。
  e1000_rx_ring.desc 指针指向了一个 e1000_rx_desc 数组，网卡和网卡驱动都通过这个数组进行读写数据。这个数组被称为环形缓冲区：通过数组下标遍历数组，下标指向数组末位后，重新指向数组第一个位置，看起来像个环形结构，——理解它需要些抽象思维；因为网卡和网卡驱动都操作它，所以每个对象都维护了自己的一套head和tail进行标识。
  

• 初始状态，下标都指向数组一个元素 e1000_rx_ring.desc[0]。
  
• 网卡接收到数据通过 DMA 方式拷贝到主存（e1000_rx_ring.desc -> e1000_rx_buffer），如下图，NIC.RDH 顺时针偏移，NIC.RDT 到 NIC.RDH 的 e1000_rx_desc->e1000_rx_buffer 内存块都填充了接收数据。
  
• 网卡驱动顺时针遍历 ring buffer，根据网卡更新的 e1000_rx_ring.desc.status 状态，读取 e1000_rx_ring.desc 指向的 e1000_rx_buffer 数据块，因为读取数据有时间限制（jiffies）和数据量限制（budget），网卡驱动不一定能一次性读取完成网卡写入主存的数据，所以最后读取的数据位置要进行记录，通过 e1000_rx_ring.next_to_clean 记录下一次要读取数据的位置。
  
• 既然网卡驱动已经读取了数据，那么已读取的数据已经没用了，可以（清理）重新提供给网卡继续写入，那么需要把下次要清理的位置记录起来：e1000_rx_ring.next_to_use。
  
• 但是这时候网卡还不知道驱动消费数据到哪个位置，那么驱动清理掉数据后，将已清理最后的位置（e1000_rx_ring.next_to_use - 1）写入网卡寄存器 RDT，告诉网卡，下次可以（顺时针）写入数据，从 NIC.RDH 到 NIC.RDT。
  

来源：https://wenfh2020.com/2021/12/29/kernel-tcp-receive/

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