网卡驱动收发包过程

原文地址：https://blog.csdn.net/hz5034/article/details/79794615

 

一、网卡

网卡工作在物理层和数据链路层，主要由PHY/MAC芯片、Tx/Rx FIFO、DMA等组成，其中网线通过变压器接PHY芯片、PHY芯片通过MII接MAC芯片、MAC芯片接PCI总线

PHY芯片主要负责：CSMA/CD、模数转换、编解码、串并转换

MAC芯片主要负责：

• 比特流和帧的转换：7字节的前导码Preamble和1字节的帧首定界符SFD
• CRC校验
• Packet Filtering：L2 Filtering、VLAN Filtering、Manageability / Host Filtering

Intel的千兆网卡以82575/82576为代表、万兆网卡以82598/82599为代表

 

二、收发包过程图

ixgbe_adapter包含ixgbe_q_vector数组（一个ixgbe_q_vector对应一个中断），ixgbe_q_vector包含napi_struct

硬中断函数把napi_struct加入CPU的poll_list，软中断函数net_rx_action()遍历poll_list，执行poll函数

2.1 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

2.2 Tx Ring Buffer

SW将sk_buff挂载到从next_to_use开始的N个descriptor，next_to_use += N，tail = next_to_use（写网卡寄存器TDT）

HW使用DMA读从head开始的M个descriptor的sk_buff，发送成功后回写DD(Descriptor Done)，head += M

SW将从next_to_clean的开始的L个sk_buff移出Tx Ring Buffer并清理，next_to_clean += L

注意：每次挂载完sk_buff后，tail和next_to_use指向同一个descriptor

2.3 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

2.4 Rx Ring Buffer

SW向从next_to_use开始的N个descriptor补充sk_buff，next_to_use += N，tail = next_to_use（写网卡寄存器RDT）

HW写Frame到从head开始的M个descriptor的sk_buff，写完后回写EOP(End of Packet)，head += M

SW将从next_to_clean开始的L个sk_buff移出Rx Ring Buffer并上送协议栈，next_to_clean += L，向从next_to_use开始的L个descriptor补充sk_buff，next_to_use += L，tail = next_to_use

注意：每次补充完sk_buff后，tail和next_to_use指向同一个sk_buff

2.5 中断上下部

do_IRQ()是CPU处理硬中断的总入口

// 在e1000_request_irq()中注册硬中断，中断函数为e1000_intr()
irq_handler_t handler = e1000_intr;
err = request_irq(adapter->pdev->irq, handler, irq_flags, netdev->name,
                  netdev);

// 在net_dev_init()中注册软中断，中断函数为net_rx_action()
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
 
// 在e1000_probe()中注册napi的poll函数为e1000_clean()
netif_napi_add(netdev, &adapter->napi, e1000_clean, 64);
 
// 在net_dev_init()中注册非napi的poll函数为process_backlog()
queue->backlog.poll = process_backlog;

netif_rx()

在netif_rx()中把skb加入CPU的softnet_data

int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
   struct softnet_data *queue;
   unsigned long flags;
 
   /* if netpoll wants it, pretend we never saw it */
   if (netpoll_rx(skb))
      return NET_RX_DROP;
 
   if (!skb->tstamp.tv64)
      net_timestamp(skb);
 
   /*
    * The code is rearranged so that the path is the most
    * short when CPU is congested, but is still operating.
    */
   local_irq_save(flags);
   queue = &__get_cpu_var(softnet_data); // 得到CPU的softnet_data
 
   __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
   if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) { // 若队列长度不大于netdev_max_backlog
      if (queue->input_pkt_queue.qlen) { // 若队列长度非0，表示queue->backlog已被加入poll_list
enqueue:
         __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb); // 将skb加入队列尾部
         local_irq_restore(flags);
         return NET_RX_SUCCESS;
      }
 
      napi_schedule(&queue->backlog); // 调度queue->backlog
      goto enqueue; // 将skb加入队列尾部
   }
 
   __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
   local_irq_restore(flags);
 
   kfree_skb(skb);
   return NET_RX_DROP;
}

三、参考资料

82599：
https://www.intel.com/content/www/us/en/embedded/products/networking/82599-10-gbe-controller-datasheet.html
网卡：
http://blog.csdn.net/tao546377318/article/details/51602298
http://blog.csdn.net/Just_Do_IT_Ye/article/details/47000383
DMA：
http://www.wowotech.net/memory_management/DMA-Mapping-api.html
http://blog.csdn.net/phunxm/article/details/9452575
http://blog.chinaunix.net/uid-1858380-id-3261817.html
http://www.elecfans.com/book/232/
协议栈收发包过程：
https://segmentfault.com/a/1190000008836467
https://segmentfault.com/a/1190000008926093
NAPI：
http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/21627963

https://blog.packagecloud.io/eng/2016/06/22/monitoring-tuning-linux-networking-stack-receiving-data/
https://blog.packagecloud.io/eng/2017/02/06/monitoring-tuning-linux-networking-stack-sending-data/