netpoll浅析

netpoll只是一种框架和一些接口，只有依赖这个框架和接口实现的netpoll实例，netpoll才能发挥它的功能。类似于kernel中的vfs，vfs本身并不会去做具体的文件操作，只是为不同的文件系统提供了一个框架。netpoll不依赖于网络协议栈，因此在内核网络及I/O子系统尚未可用时，也可以发送或接收数据包。当然netpoll能够处理的数据包类型也很有限，只有UDP和ARP数据包，并且只能是以太网报文。注意这里对UDP数据包的处理并不像四层的UDP协议那样复杂，并且netpoll可以发挥作用要依赖网络设备的支持。
  1、netpoll结构和netpoll_info结构
  netpoll结构用来描述接收和发送数据包的必要信息，每一个依赖netpoll的模块在使用这个框架前都必须实现并注册netpoll实例。

  netpoll结构定义如下：

struct netpoll {
    struct net_device *dev;
    char dev_name[IFNAMSIZ];

    const char *name;

    void (*rx_hook)(struct netpoll *, int, char *, int);

    __be32 local_ip, remote_ip;
    u16 local_port, remote_port;

    u8 remote_mac[ETH_ALEN];
};

  dev成员存储的是绑定的网络设备实例，netpoll实例只能通过特定的网络设备接收和发送数据包。该设备在注册netpoll实例时设置。
  dev_name存储的是网络设备名，通过它调用dev_get_by_name()获取指定的网络设备实例，并保存在dev中。
  name是netpoll实例的名称。
  netpoll实例有两种：能接收数据包和不能接收数据包。如果要接收数据包的话，必须实现rx_hook接口。如果不接收数据包的话，则不用。
  local_ip和remote_ip分别存储的是远端和本地的IP，由netpoll实例指定。
  local_port和remote_port分别存储的是远端和本地的port。
  remote_mac存储的MAC地址。netpoll只支持以太网数据包，所以这里的MAC地址是以太网MAC地址。
  当支持netpoll时，网络设备的net_device实例必须实现npinfo成员，即网络设备的netpoll_info信息块，描述结构为netpoll_info，定义如下：

struct netpoll_info {

    atomic_t refcnt;

    int rx_flags;

    spinlock_t rx_lock;

    struct netpoll *rx_np; /* netpoll that registered an rx_hook */

    struct sk_buff_head arp_tx; /* list of arp requests to reply to */

    struct sk_buff_head txq;
    struct delayed_work tx_work;
};

  refcnt是引用计数。每个netpoll_info实例被多个netpoll实例引用，每次引用时都对该成员加1.
  rx_flags是标识接收的特性，可取的值为NETPOLL_RX_ENABLED和NETPOLL_RX_DROP（尚未使用）。如果所属的netpoll实例允许接收数据包，则会设置为NETPOLL_RX_ENABLED，否则为0.
  rx_lock用来保证同一时刻只有一个CPU在进行相关的netpoll的输入操作。除此之外，在清理netpoll实例操作与netpoll的输入操作互斥，参见netpoll_cleanup().
  如果注册的netpoll实例可以接收数据包，则将实例存储在rx_np成员中，不过该成员在发送数据包时也会使用，参见arp_reply().
  arp_tx存储的是接收到的ARP报文。这里存储的ARP报文是在service_arp_queue()中处理的，而调用该函数的是netpoll_poll()，后面再讨论netpoll_poll()函数。
  如果netpoll没有能成功发送数据包或者设备繁忙，则将待输出报文缓存到txq队列中，重新调度tx_work工作队列，等待再次尝试发送。
  2、netpoll的输入
  netpoll_rx()函数是netpoll接收数据包的入口函数，在netif_rx()和netif_receive_skb()中都会调用到。如果该函数返回0，则表示当前数据包不是netpoll想要的，继续传递到上层协议栈继续处理；如果返回1，则表示由netpoll来处理，不再向上层传递。
  如果是ARP包，是否接收还要看静态变量trapped。trapped默认状态下是0，只有在poll_one_api()中调用网络设备的poll接口接收数据包前，才会加1，接收完后又会减1，如下所示：

static int poll_one_napi(struct netpoll_info *npinfo,
             struct napi_struct *napi, int budget)
{
    int work;

    /* net_rx_action's ->poll() invocations and our's are
     * synchronized by this test which is only made while
     * holding the napi->poll_lock.
     */
    if (!test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &napi->state))
        return budget;

    npinfo->rx_flags |= NETPOLL_RX_DROP;
    atomic_inc(&trapped);
    set_bit(NAPI_STATE_NPSVC, &napi->state);

    work = napi->poll(napi, budget);
    trace_napi_poll(napi);

    clear_bit(NAPI_STATE_NPSVC, &napi->state);
    atomic_dec(&trapped);
    npinfo->rx_flags &= ~NETPOLL_RX_DROP;

    return budget - work;
}

  poll_one_api()是由poll_napi()调用的，如果当前CPU和接收数据包的CPU不是一个CPU，并且此时网卡被放置到轮询列表，即设置了NAPI_STATE_SCHED，才会去执行接收操作。所以netpoll在调度接收网卡的数据包过程中会trap数据包（trapped不为0），这种情况下ARP包会被接收。如果trapped为0，即不trap数据包，并且是ARP数据包，则会传递到上层协议栈。不过，在__netpoll_rx()中返回之前，trapped此时不为0，会丢弃ARP包。
  如果是UDP数据包，则主要是检查校验和和IP地址、端口号等信息，确定是否是netpoll想要的数据包，如果不是，则根据trapped决定是丢弃数据包还是传递到上层协议栈。如果是netpoll实例感兴趣的报文，则会调用其注册的rx_hook接口来接收，然后释放掉SKB包（注意，是在调用rx_hook之后立即释放）。
  还有一点需要注意，如果netpoll在调度接收网卡的数据包，即trapped不为0，这个过程中会直接释放掉所有不是netpoll想要的数据包（只是netpoll实例绑定的网卡上的数据包）。个人理解是，netpoll只有在发送数据包没有成功或者分配skb失败（尝试10次）时（都是在向外输出数据包的时候）才会调度网卡接收数据包，如果出现这种情况，则说明网卡非常繁忙，并且很多数据包没来得及处理，此时丢掉数据包也是合理的。
3、netpoll的输出
  如果接收到ARP报文，会调用arp_reply()来发送ARP响应；如果是UDP报文，则由netpoll实例处理，发送数据包调用的是netpoll_send_udp()。不过这两个接口最终都是在封装好要发送的数据包后，交给netpoll_send_skb()来发送，如下所示：

static void netpoll_send_skb(struct netpoll *np, struct sk_buff *skb)
{
    ......

    /* don't get messages out of order, and no recursion */
    if (skb_queue_len(&npinfo->txq) == 0 && !netpoll_owner_active(dev)) {
        struct netdev_queue *txq;
        unsigned long flags;

        txq = netdev_get_tx_queue(dev, skb_get_queue_mapping(skb));

        local_irq_save(flags);
        /* try until next clock tick */
        for (tries = jiffies_to_usecs(1)/USEC_PER_POLL;
             tries > 0; --tries) {
            if (__netif_tx_trylock(txq)) {
                if (!netif_tx_queue_stopped(txq)) {
                    status = ops->ndo_start_xmit(skb, dev);
                    if (status == NETDEV_TX_OK)
                        txq_trans_update(txq);
                }
                __netif_tx_unlock(txq);

                if (status == NETDEV_TX_OK)
                    break;

            }

            /* tickle device maybe there is some cleanup */
            netpoll_poll(np);

            udelay(USEC_PER_POLL);
        }

        WARN_ONCE(!irqs_disabled(),
            "netpoll_send_skb(): %s enabled interrupts in poll (%pF)\n",
            dev->name, ops->ndo_start_xmit);

        local_irq_restore(flags);
    }

    if (status != NETDEV_TX_OK) {
        skb_queue_tail(&npinfo->txq, skb);
        schedule_delayed_work(&npinfo->tx_work,0);
    }
}

  从上面的代码我们可以看到，只有在（skb_queue_len(&npinfo->txq) == 0 && !netpoll_owner_active(dev)）为真时才会尝试，发送数据包，否则直接缓存到txq队列中。
  如果npinfo->txq队列不为空，说明tx_work工作队列已经被调度执行，此时直接将数据包缓存到txq队列中，通过tx_work工作队列来输出。注意，这里调用schedule_delayed_work()的时候，延迟时间设置的是0，所以如果重新调度的话，tx_work工作队列会立即开始执行。
  如果npinfo->txq队列为空，是否将数据包直接缓存到txq队列，取决于netpoll_owner_active()的返回值。netpoll_owner_active()源码如下：

static int netpoll_owner_active(struct net_device *dev)
{
    struct napi_struct *napi;

    list_for_each_entry(napi, &dev->napi_list, dev_list) {
        if (napi->poll_owner == smp_processor_id())
            return 1;
    }
    return 0;
}

  poll_owner是在接收数据包的软中断处理函数net_rx_action()中设置的，保存的是当前处理软中断的CPU的ID。如果netpoll实例绑定的网卡没有在接收数据包，也就是网卡没有放到设备轮询列表上，此时会直接返回0.如果此时网卡被放到轮询列表上，但是接收数据包的CPU不是当前的CPU，也会返回0。如果此时绑定的网卡正在接收数据包，并且是当前CPU，才会返回1，这时netpoll在发送SKB包时，会直接将数据包放到txq队列中，等待tx_work工作队列发送。  
  如果不是上述情况，netpoll_send_skb()会立即调用网络设备的ndo_start_xmit接口发送数据包。如果发送失败，则会尝试多次，直到下一次时钟节拍。如果仍然没有发送成功，则会将数据包缓存到txq队列中。
  在尝试重新发送的过程中，netpoll对调用netpoll_poll()接口来模拟网络设备接收到数据包的中断，然后借助其他CPU来接收数据包，源码如下：

void netpoll_poll(struct netpoll *np)
{
    struct net_device *dev = np->dev;
    const struct net_device_ops *ops;

    if (!dev || !netif_running(dev))
        return;

    ops = dev->netdev_ops;
    if (!ops->ndo_poll_controller)
        return;

    /* Process pending work on NIC */
    ops->ndo_poll_controller(dev);

    poll_napi(dev);

    /*
      * 处理arp_tx队列中的ARP报文
      */
    service_arp_queue(dev->npinfo);

    zap_completion_queue();
}

  模拟中断的接口是ndo_poll_controller，如果网卡不支持，则直接返回。模拟中断后，网卡设备会被放到轮询列表上，在poll_api()中会检查接收数据包的CPU和当前CPU是否是同一个CPU，如果不是，则会调用poll_one_napi()去使用网络设备的poll接口来接收数据包，否则直接返回，避免在UP上出现递归的情况。如果可以接收数据包，则trapped会加1，此时netpoll会trap数据包，该网卡上不是netpoll想要的数据包都会被直接丢掉，也只有在这段时间netpoll才可以接收ARP报文。所以我们看到，处理netpoll接收到的ARP包的接口，只在netpoll_poll()中调用，也只有在此时才有必要去处理接收到的ARP包。
  综上所述，netpoll_poll()会加速网卡对数据包的处理，这样下次发送数据包时就更容易成功。
4、netpoll应用
  netconsole是依赖netpoll实现的，可以将本机的dmesg系统信息，通过网络的方式输出到另一台主机上。这样就可以实现远程监控某些主机的dmesg信息，给开发人员调试内核提供了非常方便的途径。netconolse的使用方法参见内核文档netconsole.txt，里面介绍的非常详细