数据包接收系列 — 下半部实现（软中断）

本文主要内容：下半部的实现，分析数据包从上半部结束后到L3的处理过程。

内核版本：2.6.37

Author：zhangskd @ csdn blog

下半部的实现

接收数据包的下半部处理流程为：

net_rx_action // 软中断

|--> process_backlog() // 默认poll

|--> __netif_receive_skb() // L2处理函数

|--> ip_rcv() // L3入口

net_rx_action

软中断(NET_RX_SOFTIRQ)的处理函数net_rx_action()主要做了：

遍历sd->poll_list，对于每个处于轮询状态的设备，调用它的poll()函数来处理数据包。

如果设备NAPI被禁止了，则把设备从sd->poll_list上删除，否则把设备移动到sd->poll_list的队尾。

每次软中断最多允许处理netdev_budget(300)个数据包，最长运行时间为2jiffies(2ms)。

每个设备一次最多允许处理weight_p(64)个数据包(非NAPI)。

如果在这次软中断中没处理玩，则再次设置NET_RX_SOFTIRQ标志触发软中断。

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
struct softnet_data *sd = &__get_cpu_var(softnet_data); /* 当前CPU的softnet_data实例 */
unsigned long time_limit = jiffies + 2; /* 一次软中断的最长处理时间(2ms) */
int budget = netdev_budget; /* 一次软中断最多能够处理的skb个数(300) */
void *have;
local_irq_disable(); /* 禁止本地中断 */
/* 如果有处于轮询状态的设备 */
while(! list_empty(&sd->poll_list)) {
struct napi_struct *n;
int work, weight;
/* If softirq window is exhuasted then punt.
* Allow this to run for 2 jiffies since which will allow an average
* latency of 1.5/HZ.
* 如果处理的数据包过多了，或者处理的时间过长了，则退出。
*/
if (unlikely(budget <= 0 || time_after(jiffies, time_limit)))
goto softnet_break;
local_irq_enable(); /* 开启本地中断 */
/* Even though interrupts have been re-enabled, this access is safe because
* interrupts can only add new entries to the tail of this list, and only ->poll()
* calls can remove this head entry from the list.
*/
/* 获取链表上的第一个napi_struct实例 */
n = list_first_entry(&sd->poll_list, struct napi_struct, poll_list);
have = netpoll_poll_lock(n);
weight = n->weight; /* 这个设备每次能poll的数据包上限 */
/* This NAPI_STATE_SCHED test is for avoiding a race with netpoll's
* poll_napi(). Only the entity which obtains the lock and sees NAPI_STATE_SCHED
* set will actually make the ->poll() call. Therefore we avoid accidently calling ->poll()
* when NAPI is not scheduled.
*/
work = 0;
if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state)) {
/* 调用napi_struct的poll方法，返回处理的数据包个数 */
work = n->poll(n, weight); /* 默认为process_backlog() */
trace_napi_poll(n);
}
WARN_ON_ONCE(work > weight);
budget -= work; /* 总预算减去本次处理的数据包数 */
local_irq_disable(); /* 禁止本地中断 */
if (unlikely(work == weight)) {
/* 如果NAPI被禁止了，则把当前napi_struct从poll_list中删除 */
if (unlikely(napi_disable_pending(n))) {
local_irq_enable();
napi_complete(n);
local_irq_disable();
} else
/* 把当前napi_struct移动到poll_list的队尾 */
list_move_tail(&n->poll_list, &sd->poll_list);
}
netpoll_poll_unlock(have);
}
out:
net_rps_action_and_irq_enable(sd); /* 开启本地中断 */
#ifdef CONFIG_NET_DMA
...
#endif
return;
softnet_break:
sd->time_squeeze++; /* 跑满2ms，或处理了300个包 */
__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); /* 因为没处理完，再次触发软中断 */
goto out;
}

当调用napi_struct的poll()来处理数据包时，本地中断是开启的，这意味着新的数据包可以继续添加到

输入队列中。

process_backlog

如果网卡驱动不支持NAPI，则默认的napi_struct->poll()函数为process_backlog()。

process_backlog()的主要工作：

1. 处理sd->process_queue中的数据包

分别取出每个skb，从队列中删除。

开本地中断，调用__netif_rx_skb()把skb从L2传递到L3，然后关本地中断。

这说明在处理skb时，是允许网卡中断把数据包添加到接收队列(sd->input_pkt_queue)中的。

2. 如果处理完sd->process_queue中的数据包了，quota还没用完

把接收队列添加到sd->process_queue处理队列的尾部后，初始化接收队列。

接下来会继续处理sd->process_queue中的数据包。

3. 如果本次能处理完sd->process_queue和sd->input_pkt_queue中的所有数据包

把napi_struct从sd->poll_list队列中删除掉，清除NAPI_STATE_SCHED标志。

static int process_backlog(struct napi_struct *napi, int quota)
{
int work = 0;
struct softnet_data *sd = container_of(napi, struct softnet_data, backlog);
#ifdef CONFIG_RPS
...
#endif
napi->weight = weight_p; /* 每次处理的最大数据包数，默认为64 */
local_irq_disable(); /* 禁止本地中断 */
while(work < quota) { /* 配额允许时 */
struct sk_buff *skb;
unsigned int qlen;
/* 从sd->process_queue队列取出第一个skb，并把它从队列中删除。
* sd->process_queue用于存储即将处理的数据包。
*/
while((skb = __skb_dequeue(&sd->process_queue))) {
local_irq_enable(); /* 开启本地中断 */
__netif_receive_skb(skb); /* 进行二层处理后转发给网络层 */
local_irq_disable();
input_queue_head_incr(sd);
if (++work >= quota) { /* 处理的数据包个数超过上限了，返回 */
local_irq_enable();
return work;
}
}
rps_lock(sd);
qlen = skb_queue_len(&sd->input_pkt_queue); /* 接收队列的长度 */
/* 把接收队列添加到sd->process_queue的尾部，然后初始化接收队列 */
if (qlen)
skb_queue_splice_tail_init(&sd->input_pkt_queue, &sd->process_queue);
/* 如果能在本次处理完接收队列的数据包 */
if (qlen < quota - work) {
/* 把napi_struct从sd->poll_list队列中删除，因为马上要全部处理完了 */
list_del(&napi->poll_list);
napi->state = 0; /* 清除掉NAPI_STATE_SCHED标志 */
quota = work + qlen; /* 减小quota，使接下来处理完process_queue的qlen个包即退出 */
}
rps_unlock(sd);
}
local_irq_enable();
return work;
}

从sk_buff_head队列中取出第一个skb，并把它从队列中删除。

/**
* __skb_dequeue - remove from the head of the queue
* @list: list to dequeue from
* Remove the head of the list.
* The head item is returned or %NULL if the list is empty.
*/
static inline struct sk_buff *__skb_dequeue(struct sk_buff_head *list)
{
struct sk_buff *skb = skb_peek(list); /* 取出队列的第一个元素 */
if (skb)
__skb_unlink(skb, list); /* 把skb从sk_buff_head队列中删除 */
return skb;
}

把list添加到head的队尾，然后把list重新初始化。

/**
* skb_queue_splice_tail - join two skb lists and reinitialise the emptied list
* @list: the new list to add
* @head: the place to add it in the first list
* Each of the lists is a queue.
* The list at @list is reinitialised
*/
static inline void skb_queue_splice_tail_init(struct sk_buff_head *list, struct sk_buff_head *head)
{
if (! skb_queue_empty(list)) {
__skb_queue_splice(list, head->prev, (struct sk_buff *)head);
head->qlen += list->qlen;
__skb_queue_head_init(list);
}
}

__netif_receive_skb

__netif_receive_skb()的主要工作为：

处理NETPOLL、网卡绑定、入口流量控制、桥接、VLAN。

遍历嗅探器(ETH_P_ALL)链表ptype_all。对于每个注册的sniffer，调用它的处理函数

packet_type->func()，例如tcpdump。

赋值skb->network_header，根据skb->protocol从三层协议哈希表ptype_base中找到对应的

三层协议。如果三层协议是ETH_P_IP，相应的packet_type为ip_packet_type，协议处理函数为ip_rcv()。

static int __netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
struct packet_type *ptype, *pt_prev;
rx_handler_func_t *rx_handler;
struct net_device *orig_dev;
struct net_device *master;
struct net_device *null_or_orig;
struct net_device *orig_or_bond;
int ret = NET_RX_DROP;
__be16 type;
if (! netdev_tstamp_prequeue)
net_timestamp_check(skb); /* 记录接收时间到skb->tstamp */
trace_netif_receive_skb(skb);
/* If we've gotten here through NAPI, check netpoll */
if (netpoll_receive_skb(skb))
return NET_RX_DROP;
if (! skb->skb_iif)
skb->skb_iif = skb->dev->ifinex; /* 记录设备编号 */
/* 处理网卡绑定(bonding) */
null_or_orig = NULL;
orig_dev = skb->dev;
master = ACCESS_ONCE(orig_dev->master);
if (skb->deliver_no_wcard)
null_or_orig = orig_dev;
else if (master) {
if (skb_bond_should_drop(skb, master)) {
skb->deliver_no_wcard = 1;
null_or_orig = orig_dev; /* deliver only exact match */
} else
skb->dev = master;
}
__this_cpu_inc(softnet_data.processed); /* 增加本cpu处理过的数据包个数 */
skb_reset_network_header(skb); /* 赋值skb->network_header */
skb_reset_network_header(skb); /* 赋值skb->transport_header */
skb->mac_len = skb->network_header - skb->mac_header; /* MAC头的长度，一般为14 */
pt_prev = NULL;
rcu_read_lock();
/* 入口流量控制 */
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
if (skb->tc_verd & TC_NCLS) {
skb->tc_verd = CLR_TC_NCLS(skb->tc_verd);
goto ncls;
}
#endif
/* 遍历嗅探器(ETH_P_ALL)链表ptype_all。对于每个注册的sniffer，
* 调用它的处理函数packet_type->func()，例如tcpdump。
*/
list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
if (ptype->dev == null_or_orig || ptype->dev == skb->dev ||
ptype->dev == orig_dev) {
if (pt_prev)
ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev); /* 嗅探器的处理函数 */
pt_prev = ptype;
}
}
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
skb = handle_ing(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
if (! skb)
goto out;
ncls:
#endif
/* Handle special case of bridge or macvlan，接收的特殊过程 */
rx_handler = rcu_dereference(skb->dev->rx_handler);
if (rx_handler) {
if (pt_prev) {
ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
pt_prev = NULL;
}
skb = rx_handler(skb);
if (! skb)
goto out;
}
/* VLAN虚拟局域网 */
if (vlan_tx_tag_present(skb)) {
if (pt_prev) {
ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
pt_prev = NULL;
}
if (vlan_hwaccel_do_receive(&skb)) {
ret = __netif_receive_skb(skb);
goto out;
} else if (unlikely(! skb))
goto out;
}
/* Make sure frames received on VLAN interfaces stacked on bonding
* interfaces still make their way to any base bonding device that may
* have registered for a specific ptype. The handler may have to adjust
* skb->dev and orig_dev.
*/
orig_or_bond = orig_dev;
if ((skb->dev->priv_flags & IFF_802_1Q_VLAN) &&
(vlan_dev_real_dev(skb->dev)->priv_flags & IFF_BONDING)) {
orig_or_bond = vlan_dev_real_dev(skb->dev);
}
type = skb->protocol; /* 三层协议类型 */
list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_base[ntohs(type) & PTYPE_HASH_MASK], list) {
if (ptype->type == type && (ptype->dev == null_or_orig || ptype->dev == skb->dev
|| ptype->dev == orig_dev || ptype->dev == orig_or_bond)) {
/* 如果三层协议是ETH_P_IP，相应的packet_type为ip_packet_type，
* 协议处理函数为ip_rcv()。
*/
if (pt_prev)
ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
pt_prev = ptype;
}
}
if (pt_prev) {
ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
} else { /* 说明没找到对应的三层协议 */
atomic_long_inc(&skb->dev->rx_dropped);
kfree_skb(skb);
ret = NET_RX_DROP;
}
out:
rcu_read_unlock();
return ret;
}

L3协议处理函数

#define PTYPE_HASH_SIZE (16)
#define PTYPE_HASH_MASK (PTYPE_HASH_SIZE - 1)
static DEFINE_SPINLOCK(ptype_lock);
static struct list_head ptype_base[PTYPE_HASH_SIZE]; /* 协议哈希表 */
static struct list_head ptype_all; /* 嗅探器(ETH_P_ALL)的链表 */

packet_type用于描述一个协议：

struct packet_type {
__be16 type; /* This is really htons(ether_type). 协议代码 */
struct net_device *dev; /* NULL is wildcarded here */
/* 协议处理函数，如ip_rcv() */
int (*func) (struct sk_buff *, struct net_device *, struct packet_type *, struct net_device *);
...
struct list_head list;
}

IP协议：

/* IP protocol layer initialiser */
static struct packet_type ip_packet_type = {
.type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
.func = ip_rcv,
...
};
#define ETH_P_IP 0x0800 /* Internet Protocol packet */