计算机网络——数据从网卡到应用的过程

数据从网卡到应用的过程

1、过程概述

假设一个HTTP请求的数据到达网卡，那数据是如何被层层处理并到达应用呢？

2、网卡

网卡(Network Adapter)，也称网络适配器，是一个 硬件设备，有全球唯一的 MAC(Media Access Control)地址，MAC地址在网卡生产时就被烧制在ROM中，网卡初始化时恢复到计算机中。

• 1、网卡收到的数据是 光信号或电信号，然后将其还原成 数字信息(1和0组成)。

下图是还原的数字信息结构。

• 根据 FCS(帧校验序列，Frame Check Sequence)校验数据，判断数据在传输过程是否因噪音等影响导致信号失真，从而导致数据错误，需要丢弃这种无效的数据包。

• 然后 检查 数据包中MAC头部中的接收方的MAC地址，若不是发给自己，则丢弃数据包；若数据包是发给自己，则将数字信息保存到网卡内部缓冲区。

以上过程网卡自行搞定，不需要CPU参与，CPU也不知道数据包的到达。

3、网卡驱动

硬件需要驱动程序来控制，就像电脑需要操作系统一样，而网卡驱动就是CPU控制和使用网卡的程序。

网卡处理完数字信号后，接下来的数据接收需要CPU参与，此时网卡通过中断将数据包达到的事件通知给CPU。接着，CPU暂停手头工作，开始用网卡驱动来干活。

• 从网卡缓冲区读取接收到的数据
• 根据MAC头部的以太类型字段判断协议种类并调用处理该协议的软件(即协议栈)

通常我们接触的以太类型是 IP协议，因此会调用TCP/IP协议栈来处理。

• 1、网卡驱动程序提取这个帧的全部内容，去掉以太网的帧头，然后向上传递给IP层
• 2、IP层接收到包已经，继续去掉IP头的内容，然后交给TCP层
• 3、TCP层根据TCP协议定义的格式，继续解包，read()从socket buffer读取数据，然后传递给应用层
• 4、应用层根据TCP层传来的数据，按照对应的应用层来分析包

4、物理网卡收到数据包的处理流程

接收数据包是一个复杂的过程，涉及很多底层的技术细节，但大致需要以下几个步骤：

• 1、网卡收到数据包。

• 2、将数据包从网卡硬件缓存转移到服务器内存中。

• 3、通知内核处理。

• 4、经过TCP/IP协议逐层处理。

• 5、应用程序通过read()从socket buffer读取数据。
  
  物理网卡收到数据包的处理流程如上图所示，详细步骤如下：

• 1、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.

• 2、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.

• 3、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

• 4、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

  5、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

• 6、NAPI触发软中断，触发napi系统

• 7、消耗ringbuffer指向的skb_buffer

• 8、NAPI循环处理ringbuffer数据，处理完成

• 9、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。

如何将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：

• 1、驱动在内存中分配一片缓冲区用来接收数据包，叫做sk_buffer;

• 2、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; 3、驱动通知网卡有一个新的描述符;

• 4、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;

• 5、网卡收到新的数据包;

• 6、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。

参考

1、https://www.jianshu.com/p/e6162bc984c8
2、https://bbs.gameres.com/thread_842984_1_1.html