Linux的网络协议中的网卡缓冲区

程序员可能关心的基本网卡知识

网卡相关介绍：http://www.linuxidc.com/Linux/2012-12/77132.htm

一、什么是网卡？

它是主机的网络设备，本身是LAN（局域网）的设备，通过网关、路由器等设备就可以把这个局域网挂接到Internet上。网卡工作在物理层和数据链路层的MAC子层，数据链路层还有LLC层，它在MAC层之上。

网卡按照数据链路层控制来分有以太网卡，令牌环网卡，ATM网卡等；按照物理层来分类有无线网卡，RJ-45网卡，同轴电缆网卡，光线网卡等等。它们的数据链路控制、寻址、帧结构等不同；物理上的连接方式不同、数据的编码、信号传输的介质、电平等不同。普通程序员常用的应该是以太网网卡。

以太网采用的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）的控制技术。他主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。数据链路层和物理层各自实现自己的功能，相互之间不关心对方如何操作。二者之间有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。

以太网卡的物理层可以包含很多种技术，常见的有RJ45，光纤，无线等，它们的区别在于传送信号的物理介质和媒质不同。（这些不太是程序员所关心的）

二、网卡的组成

1．网卡的基本结构

以太网网卡包括OSI（开方系统互联）模型的两个层。物理层和数据链路层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

2．什么是MAC?

以太网数据链路层其实包含MAC（介质访问控制）子层和LLC（逻辑链路控制）子层。MAC从PCI总线收到IP数据包（或者其他网络层协议的数据包）后，将之拆分并重新打包成最大1518Byte，最小64Byte的Frame。这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型（比如IP数据包的类型用80表示）。最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码。

收到数据帧的时候也是一样，做完CRC以后，如果没有CRC效验错误，就把帧头去掉，把数据包拿出来通过标准的接口传递给驱动和上层的协议栈，最终正确的达到我们的应用程序。

3．网络传输

PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两块网卡碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突，这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。

4．关于网络间的冲突

交换机和HUB最大的区别就是：一个是构建点到点网络的局域网交换设备，一个是构建冲突域网络的局域网互连设备。

当我们给网卡接入网线的时候，PHY不断发出的脉冲信号检测到对端有设备，它们通过标准的”语言”交流，互相协商并确定连接速度、双工模式、是否采用流控等。

通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为Auto Negotiation。

Linux的网卡级丢包剖析

参考：http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/22211295

(1) 网卡收包

网线上的packet首先被网卡获取，网卡会检查packet的CRC校验，保证完整性，然后将packet头去掉，得到frame。网卡会检查MAC包内的目的MAC地址，如果和本网卡的MAC地址不一样则丢弃(混杂模式除外)。

网卡将frame拷贝到网卡内部的FIFO缓冲区，触发硬件中断。（如有ring buffer的网卡，好像frame可以先存在ring buffer里再触发软件中断（下篇文章将详细解释Linux中frame的走向），ring buffer是网卡和驱动程序共享，是设备里的内存，但是对操作系统是可见的，因为看到linux内核源码里网卡驱动程序是使用kcalloc来分配的空间，所以ring buffer一般都有上限，另外这个ring buffer size，表示的应该是能存储的frame的个数，而不是字节大小。另外有些系统的 ethtool 命令 并不能改变ring parameters来设置ring buffer的大小，暂时不知道为什么，可能是驱动不支持。）

网卡驱动程序通过硬中断处理函数，构建sk_buff，把frame从网卡FIFO拷贝到内存skb中，接下来交给内核处理。（支持napi的网卡应该是直接放在ring buffer，不触发硬中断，直接使用软中断，拷贝ring buffer里的数据，直接输送给上层处理，每个网卡在一次软中断处理过程能处理weight个frame）

过程中，网卡芯片对frame进行了MAC过滤，以减小系统负荷。（除了混杂模式）

(2) 网卡发包

网卡驱动程序将IP包添加14字节的MAC头，构成frame（暂无CRC）。Frame（暂无CRC）中含有发送端和接收端的MAC地址，由于是驱动程序创建MAC头，所以可以随便输入地址，也可以进行主机伪装。

驱动程序将frame（暂无CRC）拷贝到网卡芯片内部的缓冲区，由网卡处理。

网卡芯片将未完全完成的frame（缺CRC）再次封装为可以发送的packet，也就是添加头部同步信息和CRC校验，然后丢到网线上，就完成一个IP报的发送了，所有接到网线上的网卡都可以看到该packet。

(3) 网卡中断处理函数

产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序，是设备驱动程序的一部分。每个网卡都有一个中断处理程序，用于通知网卡该中断已经被接收了，以及把网卡缓冲区的数据包拷贝到内存中。

当网卡接收来自网络的数据包时，需要通知内核数据包到了。网卡立即发出中断。内核通过执行网卡已注册的中断处理函数来做出应答。中断处理程序开始执行，通知硬件，拷贝最新的网络数据包到内存，然后读取网卡更多的数据包。

这些都是重要、紧迫而又与硬件相关的工作。内核通常需要快速的拷贝网络数据包到系统内存，因为网卡上接收网络数据包的缓存大小固定，而且相比系统内存也要小得多。所以上述拷贝动作一旦被延迟，必然造成网卡FIFO缓存溢出 - 进入的数据包占满了网卡的缓存，后续的包只能被丢弃，这也应该就是ifconfig里的overrun的来源。

当网络数据包被拷贝到系统内存后，中断的任务算是完成了，这时它把控制权交还给被系统中断前运行的程序。

缓冲区访问：

网卡的内核缓冲区，是在PC内存中，由内核控制，而网卡会有FIFO缓冲区，或者ring buffer，这应该将两者区分开。FIFO比较小，里面有数据便会尽量将数据存在内核缓冲中。

网卡中的缓冲区既不属于内核空间，也不属于用户空间。它属于硬件缓冲，允许网卡与操作系统之间有个缓冲；
内核缓冲区在内核空间，在内存中，用于内核程序，做为读自或写往硬件的数据缓冲区；
用户缓冲区在用户空间，在内存中，用于用户程序，做为读自或写往硬件的数据缓冲区；
另外，为了加快数据的交互，可以将内核缓冲区映射到用户空间，这样，内核程序和用户程序就可以同时访问这一区间了。

对于有ring buffer的网卡，ring buffer是由驱动与网卡共享的，所以内核可以直接访问ring buffer，一般拷贝frames的副本到自己的内核空间进行处理（deliver到上层协议，之后的一个个skb就是按skb的指针传递方式传递，直到用户获得数据，所以，对于ring buffer网卡，大量拷贝发生在frame从ring buffer传递到内核控制的计算机内存里）。