网络数据包收发流程(一)：从驱动到协议栈 2011-06-27 11:28:20
分类： LINUX
早就想整理网络数据包收发流程了，一直太懒没动笔。今天下决心写了
一、硬件环境
intel82546：PHY与MAC集成在一起的PCI网卡芯片，很强大 bcm5461： PHY芯片，与之对应的MAC是TSEC
TSEC： Three Speed Ethernet Controller，三速以太网控制器，PowerPc 架构CPU里面的MAC模块 注意,TSEC内部有DMA子模块
话说现在的CPU越来越牛叉了，什么功能都往里面加，最常见的如MAC功能。 TSEC只是MAC功能模块的一种，其他架构的cpu也有和TSEC类似的MAC功能模块。 这些集成到CPU芯片上的功能模块有个学名，叫平台设备，即 platform device。
二、网络收包原理
网络驱动收包大致有3种情况：
no NAPI：mac每收到一个以太网包，都会产生一个接收中断给cpu，即完全靠中断方式来收包 缺点是当网络流量很大时，cpu大部分时间都耗在了处理mac的中断。
netpoll：在网络和I/O子系统尚不能完整可用时，模拟了来自指定设备的中断，即轮询收包。 缺点是实时性差
NAPI： 采用 中断 + 轮询 的方式：mac收到一个包来后会产生接收中断，但是马上关闭。
直到收够了netdev_max_backlog个包（默认300），或者收完mac上所有包后，才再打开接收中断
通过sysctl来修改 net.core.netdev_max_backlog
或者通过proc修改 /proc/sys/net/core/netdev_max_backlog
下面只写内核配置成使用NAPI的情况，只写TSEC驱动。（非NAPI的情况和PCI网卡驱动 以后再说） 内核版本 linux 2.6.24
三、NAPI 相关数据结构
每个网络设备（MAC层）都有自己的net_device数据结构，这个结构上有napi_struct。 每当收到数据包时，网络设备驱动会把自己的napi_struct挂到CPU私有变量上。 这样在软中断时，net_rx_action会遍历cpu私有变量的poll_list，
执行上面所挂的napi_struct结构的poll钩子函数,将数据包从驱动传到网络协议栈。
四、内核启动时的准备工作
4.1 初始化网络相关的全局数据结构，并挂载处理网络相关软中断的钩子函数 start_kernel() --> rest_init()
--> do_basic_setup() --> do_initcall -->net_dev_init
__init net_dev_init() {
//每个CPU都有一个CPU私有变量 _get_cpu_var(softnet_data)
//_get_cpu_var(softnet_data).poll_list很重要，软中断中需要遍历它的 for_each_possible_cpu(i) { struct softnet_data *queue; queue = &per_cpu(softnet_data, i);
skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue); queue->completion_queue = NULL; INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list); queue->backlog.poll = process_backlog; queue->backlog.weight = weight_p; }
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL); //在软中断上挂网络发送handler open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL); //在软中断上挂网络接收handler }
4.2 加载网络设备的驱动
NOTE：这里的网络设备是指MAC层的网络设备，即TSEC和PCI网卡（bcm5461是phy） 在网络设备驱动中创建net_device数据结构，并初始化其钩子函数 open(),close() 等 挂载TSEC的驱动的入口函数是 gfar_probe
// 平台设备 TSEC 的数据结构
static struct platform_driver gfar_driver = { .probe = gfar_probe, .remove = gfar_remove, .driver = {
.name = \ }, };
int gfar_probe(struct platform_device *pdev) {
dev = alloc_etherdev(sizeof (*priv)); // 创建net_device数据结构
dev->open = gfar_enet_open;
dev->hard_start_xmit = gfar_start_xmit; dev->tx_timeout = gfar_timeout;
dev->watchdog_timeo = TX_TIMEOUT; #ifdef CONFIG_GFAR_NAPI
netif_napi_add(dev, &priv->napi,gfar_poll,GFAR_DEV_WEIGHT); //软中断里会调用poll钩子函数 #endif
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER dev->poll_controller = gfar_netpoll; #endif
dev->stop = gfar_close;
dev->change_mtu = gfar_change_mtu; dev->mtu = 1500;
dev->set_multicast_list = gfar_set_multi; dev->set_mac_address = gfar_set_mac_address; dev->ethtool_ops = &gfar_ethtool_ops; }
五、启用网络设备
5.1 用户调用ifconfig等程序，然后通过ioctl系统调用进入内核 socket的ioctl()系统调用 --> sock_ioctl()
--> dev_ioctl() //判断SIOCSIFFLAGS --> __dev_get_by_name(net, ifr->ifr_name) //根据名字选net_device --> dev_change_flags() //判断IFF_UP --> dev_open(net_device) //调用open钩子函数
对于TSEC来说，挂的钩子函数是 gfar_enet_open(net_device)
5.2 在网络设备的open钩子函数里，分配接收bd，挂中断ISR(包括rx、tx、err)，对于TSEC来说 gfar_enet_open
--> 给Rx Tx Bd 分配一致性DMA内存
--> 把Rx Bd的“EA地址”赋给数据结构，物理地址赋给TSEC寄存器 --> 把Tx Bd的“EA地址”赋给数据结构，物理地址赋给TSEC寄存器 --> 给 tx_skbuff 指针数组 分配内存，并初始化为NULL --> 给 rx_skbuff 指针数组 分配内存，并初始化为NULL
--> 初始化Tx Bd
--> 初始化Rx Bd，提前分配存储以太网包的skb，这里使用的是一次性dma映射 （注意：#define DEFAULT_RX_BUFFER_SIZE 1536保证了skb能存一个以太网包） rxbdp = priv->rx_bd_base;
for (i = 0; i < priv->rx_ring_size; i++) { struct sk_buff *skb = NULL; rxbdp->status = 0;
//这里真正分配skb，并且初始化rxbpd->bufPtr, rxbdpd->length skb = gfar_new_skb(dev, rxbdp); priv->rx_skbuff[i] = skb; rxbdp++; } rxbdp--;
rxbdp->status |= RXBD_WRAP; // 给最后一个bd设置标记WRAP标记
--> 注册TSEC相关的中断handler： 错误，接收，发送
request_irq(priv->interruptError, gfar_error, 0, \
request_irq(priv->interruptTransmit, gfar_transmit, 0, \//包发送完 request_irq(priv->interruptReceive, gfar_receive, 0, \//包接收完
-->gfar_start(net_device) // 使能Rx、Tx
// 开启TSEC的 DMA 寄存器 // Mask 掉我们不关心的中断event
最终，TSEC相关的Bd等数据结构应该是下面这个样子的
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