网络数据包的接收过程

C/C++
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2024-03-25
Matplotlib for C++不完全手册
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【C++】STL 算法 ⑦ ( 二元谓词使用场景 - 大小写不敏感 set 集合 | tolower 函数 - 将字符转为小写字母 | 基于 tolower 实现大小写不敏感的比较函数对象 )
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  • Linux 网络架构
  • Linux 网络初始化
  • 网络设备子系统初始化
  • 网卡驱动初始化
  • 协议栈初始化
  • 数据包的接收过程
  • 硬中断处理
  • ksoftirqd 软中断处理
  • 协议栈处理
  • 应用层处理
  • 总结

这里深度理解一下在Linux下网络包的接收过程，为了简单起见，我们用udp来举例，如下：

int main(){
    int serverSocketFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    bind(serverSocketFd, ...);

    char buff[BUFFSIZE];
    int readCount = recvfrom(serverSocketFd, buff, BUFFSIZE, 0, ...);
    buff[readCount] = '\0';
    printf("Receive from client:%s\n", buff);

}

上面代码是一段udp server接收收据的逻辑。只要客户端有对应的数据发送过来，服务器端执行recv_from后就能收到它，并把它打印出来。那么当网络包达到网卡，直到recvfrom收到数据，这中间究竟都发生过什么？

Linux 网络架构

在Linux内核实现中，链路层协议靠网卡驱动来实现，内核协议栈来实现网络层和传输层。内核对更上层的应用层提供socket接口来供用户进程访问。我们用Linux的视角来看到的TCP/IP网络分层模型应该是下面这个样子的。

Linux 网络初始化

网络设备子系统初始化

linux内核通过调用subsys_initcall来初始化各个子系统，其中网络子系统的初始化会执行到net_dev_init函数：

//net/core/dev.c

static int __init net_dev_init(void){

    ......

    for_each_possible_cpu(i) {
        struct softnet_data *sd = &per_cpu(softnet_data, i);

        memset(sd, 0, sizeof(*sd));
        skb_queue_head_init(&sd->input_pkt_queue);
        skb_queue_head_init(&sd->process_queue);
        sd->completion_queue = NULL;
        INIT_LIST_HEAD(&sd->poll_list);
        ......
    }
    ......
    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

}

subsys_initcall(net_dev_init);

首先为每个CPU都申请一个softnet_data数据结构，在这个数据结构里的poll_list是等待驱动程序将其poll函数注册进来，稍后网卡驱动初始化的时候我们可以看到这一过程。

然后 open_softirq 为每一种软中断都注册一个处理函数。NET_TX_SOFTIRQ的处理函数为net_tx_action，NET_RX_SOFTIRQ的为net_rx_action。

//kernel/softirq.c

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *)){

    softirq_vec[nr].action = action;

}

open_softirq 会把不同的 action 记录在softirq_vec变量里的。后面ksoftirqd线程收到软中断的时候，也会使用这个变量来找到每一种软中断对应的处理函数。

网卡驱动初始化

这里以 FSL 系列网卡为例，其驱动位于：drivers/net/ethernet/freescale/fec_main.c

static struct platform_driver fec_driver = {
 .driver = {
  .name = DRIVER_NAME,
  .pm = &fec_pm_ops,
  .of_match_table = fec_dt_ids,
  .suppress_bind_attrs = true,
 },
 .id_table = fec_devtype,
 .probe = fec_probe,
 .remove = fec_drv_remove,
};
static int
fec_probe(struct platform_device *pdev)
{
  fec_enet_clk_enable
  fec_reset_phy      //使用gpio 复位phy 芯片
  fec_enet_init      //设置netdev_ops、设置ethtool_ops
  for (i = 0; i < irq_cnt; i++) {
    devm_request_irq(..., irq, fec_enet_interrupt, ...);
  }
  fec_enet_mii_init  //读取dts mdio节点下phy子节点，并注册phy_device
  register_netdev    //注册网络设备
}

Linux 以太网驱动会向上层提供 net_device_ops ，方便应用层控制网卡，比如网卡被启动（例如，通过 ifconfig eth0 up）的时候会被调用 fec_enet_open，此外它还包含着网卡发包、设置 mac 地址等回调函数。

static const struct net_device_ops fec_netdev_ops = {
 .ndo_open  = fec_enet_open,
 .ndo_stop  = fec_enet_close,
 .ndo_start_xmit  = fec_enet_start_xmit,
 .ndo_select_queue       = fec_enet_select_queue,
 .ndo_set_rx_mode = set_multicast_list,
 .ndo_validate_addr = eth_validate_addr,
 .ndo_tx_timeout  = fec_timeout,
 .ndo_set_mac_address = fec_set_mac_address,
 .ndo_eth_ioctl  = fec_enet_ioctl,
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
 .ndo_poll_controller = fec_poll_controller,
#endif
 .ndo_set_features = fec_set_features,
 .ndo_bpf  = fec_enet_bpf,
 .ndo_xdp_xmit  = fec_enet_xdp_xmit,
};

此外，网卡驱动实现了 ethtool 所需要的接口，当 ethtool 发起一个系统调用之后，内核会找到对应操作的回调函数。可以看到 ethtool 这个命令之所以能查看网卡收发包统计、能修改网卡自适应模式、能调整RX 队列的数量和大小，是因为 ethtool 命令最终调用到了网卡驱动的相应方法。

static const struct ethtool_ops fec_enet_ethtool_ops = {
 .supported_coalesce_params = ETHTOOL_COALESCE_USECS |
         ETHTOOL_COALESCE_MAX_FRAMES,
 .get_drvinfo  = fec_enet_get_drvinfo,
 .get_regs_len  = fec_enet_get_regs_len,
 .get_regs  = fec_enet_get_regs,
 .nway_reset  = phy_ethtool_nway_reset,
 .get_link  = ethtool_op_get_link,
 .get_coalesce  = fec_enet_get_coalesce,
 .set_coalesce  = fec_enet_set_coalesce,
#ifndef CONFIG_M5272
 .get_pauseparam  = fec_enet_get_pauseparam,
 .set_pauseparam  = fec_enet_set_pauseparam,
 .get_strings  = fec_enet_get_strings,
 .get_ethtool_stats = fec_enet_get_ethtool_stats,
 .get_sset_count  = fec_enet_get_sset_count,
#endif
 .get_ts_info  = fec_enet_get_ts_info,
 .get_tunable  = fec_enet_get_tunable,
 .set_tunable  = fec_enet_set_tunable,
 .get_wol  = fec_enet_get_wol,
 .set_wol  = fec_enet_set_wol,
 .get_eee  = fec_enet_get_eee,
 .set_eee  = fec_enet_set_eee,
 .get_link_ksettings = phy_ethtool_get_link_ksettings,
 .set_link_ksettings = phy_ethtool_set_link_ksettings,
 .self_test  = net_selftest,
};

协议栈初始化

内核实现了网络层的 ip 协议，也实现了传输层的 tcp 协议和 udp 协议。这些协议对应的实现函数分别是 ip_rcv()，tcp_v4_rcv()和udp_rcv()。

网络协议栈是通过函数 inet_init() 注册的，通过inet_init，将这些函数注册到了inet_protos和ptype_base数据结构中了。如下图:

相关代码如下：

//net/ipv4/af_inet.c
static struct packet_type ip_packet_type __read_mostly = {
 .type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
 .func = ip_rcv,
 .list_func = ip_list_rcv,
};

static const struct net_protocol tcp_protocol = {
 .handler = tcp_v4_rcv,
 .err_handler = tcp_v4_err,
 .no_policy = 1,
 .icmp_strict_tag_validation = 1,
};

static const struct net_protocol udp_protocol = {
 .handler = udp_rcv,
 .err_handler = udp_err,
 .no_policy = 1,
};

static int __init inet_init(void){

    ......
    if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add ICMP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)  //注册 udp_rcv()
        pr_crit("%s: Cannot add UDP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)  //注册 tcp_v4_rcv()
        pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol\n", __func__);
    ......
    dev_add_pack(&ip_packet_type);  /注册 ip_rcv()

}

上面的代码中我们可以看到，udp_protocol结构体中的handler是udp_rcv，tcp_protocol结构体中的handler是tcp_v4_rcv，通过inet_add_protocol被初始化了进来。

int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol){
    if (!prot->netns_ok) {
        pr_err("Protocol %u is not namespace aware, cannot register.\n",
            protocol);
        return -EINVAL;
    }

    return !cmpxchg((const struct net_protocol **)&inet_protos[protocol],
            NULL, prot) ? 0 : -1;

}

inet_add_protocol函数将tcp和udp对应的处理函数都注册到了inet_protos数组中了。

再看dev_add_pack(&ip_packet_type);这一行，ip_packet_type结构体中的type是协议名，func是ip_rcv函数，在dev_add_pack中会被注册到ptype_base哈希表中。

//net/core/dev.c
void dev_add_pack(struct packet_type *pt){

    struct list_head *head = ptype_head(pt);
    ......

}

static inline struct list_head *ptype_head(const struct packet_type *pt){

    if (pt->type == htons(ETH_P_ALL))
        return &ptype_all;
    else
        return &ptype_base[ntohs(pt->type) & PTYPE_HASH_MASK];

}

这里我们需要记住inet_protos记录着udp，tcp的处理函数地址，ptype_base存储着ip_rcv()函数的处理地址。后面我们会看到软中断中会通过ptype_base找到ip_rcv函数地址，进而将ip包正确地送到ip_rcv()中执行。在ip_rcv中将会通过inet_protos找到tcp或者udp的处理函数，再而把包转发给udp_rcv()或tcp_v4_rcv()函数。

数据包的接收过程

硬中断处理

首先当数据帧从网线到达网卡，网卡在分配给自己的 ringBuffer 中寻找可用的内存位置，找到后 DMA 会把数据拷贝到网卡之前关联的内存里。当 DMA 操作完成以后，网卡会向 CPU 发起一个硬中断，通知 CPU 有数据到达。

中断处理函数为：

//drivers/net/ethernet/freescale/fec_main.c
static irqreturn_t
fec_enet_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
 struct net_device *ndev = dev_id;
 struct fec_enet_private *fep = netdev_priv(ndev);
 irqreturn_t ret = IRQ_NONE;

 if (fec_enet_collect_events(fep) && fep->link) {
  ret = IRQ_HANDLED;

  if (napi_schedule_prep(&fep->napi)) {
   /* Disable interrupts */
   writel(0, fep->hwp + FEC_IMASK);
   __napi_schedule(&fep->napi);
  }
 }

 return ret;
}
//net/core/dev.c
__napi_schedule->____napi_schedule
static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,

                     struct napi_struct *napi){
    list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);
    __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);

}

这里我们看到，list_add_tail修改了CPU变量softnet_data里的poll_list，将驱动napi_struct传过来的poll_list添加了进来。其中softnet_data中的poll_list是一个双向列表，其中的设备都带有输入帧等着被处理。紧接着 __raise_softirq_irqoff 触发了一个软中断 NET_RX_SOFTIRQ。

注意：当RingBuffer满的时候，新来的数据包将给丢弃。ifconfig查看网卡的时候，可以里面有个overruns，表示因为环形队列满被丢弃的包。如果发现有丢包，可能需要通过ethtool命令来加大环形队列的长度。

ksoftirqd 软中断处理

接下来进入软中断处理函数：

//kernel/softirq.c
static void run_ksoftirqd(unsigned int cpu){
    local_irq_disable();
    if (local_softirq_pending()) {
        __do_softirq();
        rcu_note_context_switch(cpu);
        local_irq_enable();
        cond_resched();
        return;
    }
    local_irq_enable();

}

asmlinkage __visible void __softirq_entry __do_softirq(void)
{
  while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
    h->action(h);
  }
}

在网络设备子系统初始化中，讲到为 NET_RX_SOFTIRQ 注册了处理函数 net_rx_action。所以 net_rx_action 函数就会被执行到了。

//net/core/dev.c
static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
  struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
  
  list_splice_init(&sd->poll_list, &list);
  
  for (;;) {
    ...
    n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list);
    budget -= napi_poll(n, &repoll);
    ...
  }
  ...
}

napi_poll->__napi_poll->work = n->poll(n, weight)

首先获取到当前CPU变量softnet_data，对其poll_list进行遍历, 然后执行到网卡驱动注册到的 poll 函数。对于 FSL 网卡来说，其驱动对应的 poll 函数就是 fec_enet_rx_napi。

//drivers/net/ethernet/freescale/fec_main.c
static int fec_enet_rx_napi(struct napi_struct *napi, int budget)
{
 struct net_device *ndev = napi->dev;
 struct fec_enet_private *fep = netdev_priv(ndev);
 int done = 0;

 do {
  done += fec_enet_rx(ndev, budget - done);
  fec_enet_tx(ndev);
 } while ((done < budget) && fec_enet_collect_events(fep));

 if (done < budget) {
  napi_complete_done(napi, done);
  writel(FEC_DEFAULT_IMASK, fep->hwp + FEC_IMASK);
 }

 return done;
}
fec_enet_rx->fec_enet_rx_queue

然后进入 GRO 处理，流程如下：

napi_gro_receive->napi_skb_finish->gro_normal_one->gro_normal_list->netif_receive_skb_list_internal

最终通过函数 netif_receive_skb_list_internal() 进入内核协议栈。

协议栈处理

static int __netif_receive_skb_core(struct sk_buff **pskb, bool pfmemalloc,
        struct packet_type **ppt_prev)
{
  ......
  //抓包
  list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
      if (pt_prev)
          ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
      pt_prev = ptype;
  }

  list_for_each_entry_rcu(ptype, &skb->dev->ptype_all, list) {
      if (pt_prev)
          ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
      pt_prev = ptype;
  }
  ......
  if (likely(!deliver_exact)) {
      deliver_ptype_list_skb(skb, &pt_prev, orig_dev, type,
                     &ptype_base[ntohs(type) &
                         PTYPE_HASH_MASK]);
  }
  ......
}

static inline void deliver_ptype_list_skb(struct sk_buff *skb,
       struct packet_type **pt,
       struct net_device *orig_dev,
       __be16 type,
       struct list_head *ptype_list)
{
 struct packet_type *ptype, *pt_prev = *pt;

 list_for_each_entry_rcu(ptype, ptype_list, list) {
  if (ptype->type != type)
   continue;
  if (pt_prev)
   deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
  pt_prev = ptype;
 }
 *pt = pt_prev;
}

函数 deliver_ptype_list_skb 会从数据包中取出协议信息，然后遍历注册在这个协议上的回调函数列表。ptype_base 是一个 hash table，在协议初始化小节我们提到过，ip_rcv 函数地址就是存在这个 hash table中的。

//net/core/dev.c
static inline int deliver_skb(struct sk_buff *skb,
                  struct packet_type *pt_prev,
                  struct net_device *orig_dev)
{
    ......
    return pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
}

pt_prev->func 这一行就调用到了协议层注册的处理函数了。对于 ip 包来讲，就会进入到 ip_rcv（如果是 arp 包的话，会进入到 arp_rcv）。

  • IP协议层处理

//net/ipv4/ip_input.c
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt,
    struct net_device *orig_dev)
{
 struct net *net = dev_net(dev);

 skb = ip_rcv_core(skb, net);
 if (skb == NULL)
  return NET_RX_DROP;

 return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING,
         net, NULL, skb, dev, NULL,
         ip_rcv_finish);
}

这里NF_HOOK是一个钩子函数，当执行完注册的钩子后就会执行到最后一个参数指向的函数 ip_rcv_finish。

ip_rcv_finish->dst_input->ip_local_deliver->ip_local_deliver_finish
static int ip_local_deliver_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
 skb_clear_delivery_time(skb);
 __skb_pull(skb, skb_network_header_len(skb));

 rcu_read_lock();
 ip_protocol_deliver_rcu(net, skb, ip_hdr(skb)->protocol);
 rcu_read_unlock();

 return 0;
}
void ip_protocol_deliver_rcu(struct net *net, struct sk_buff *skb, int protocol)
{
  ......
  ret = INDIRECT_CALL_2(ipprot->handler, tcp_v4_rcv, udp_rcv,
          skb);
  ......
}

在这里 skb 包将会进一步被派送到更上层的协议中，udp 和 tcp。

  • UDP协议层处理 udp协议的处理函数是 udp_rcv。
//net/ipv4/udp.c
int udp_rcv(struct sk_buff *skb)
{
 return __udp4_lib_rcv(skb, &udp_table, IPPROTO_UDP);
}

应用层处理

通过开头的应用程序，我们知道应用层的数据接收函数是 recvfrom，recvfrom 是一个glibc的库函数，该函数在执行后会将用户进行陷入到内核态，进入到Linux实现的系统调用 sys_recvfrom。

在理解 sys_revvfrom之前，我们先来简单看一下socket这个核心数据结构。

socket数据结构中的const struct proto_ops对应的是协议的方法集合。每个协议都会实现不同的方法集，对于IPv4 Internet协议族来说,每种协议都有对应的处理方法，如下。对于udp来说，是通过inet_dgram_ops来定义的，其中注册了inet_recvmsg方法。

//net/ipv4/af_inet.c
const struct proto_ops inet_stream_ops = {
    ......
    .recvmsg       = inet_recvmsg,
    .mmap          = sock_no_mmap,
    ......
}

const struct proto_ops inet_dgram_ops = {
    ......
    .sendmsg       = inet_sendmsg,
    .recvmsg       = inet_recvmsg,
    ......
}

socket数据结构中的另一个数据结构struct sock *sk是一个非常大，非常重要的子结构体。其中的sk_prot又定义了二级处理函数。对于UDP协议来说，会被设置成UDP协议实现的方法集udp_prot。

//net/ipv4/udp.c
struct proto udp_prot = {
    .name          = "UDP",
    .owner         = THIS_MODULE,
    .close         = udp_lib_close,
    .connect       = ip4_datagram_connect,
    ......
    .sendmsg       = udp_sendmsg,
    .recvmsg       = udp_recvmsg,
    .sendpage      = udp_sendpage,
    ......
}

看完了 socket 变量之后，我们再来看 sys_revvfrom 的实现过程。

总结

首先在开始收包之前，Linux要做许多的准备工作：

  1. 创建ksoftirqd线程，为它设置好它自己的线程函数，后面指望着它来处理软中断呢
  2. 协议栈注册，linux要实现许多协议，比如arp，icmp，ip，udp，tcp，每一个协议都会将自己的处理函数注册一下，方便包来了迅速找到对应的处理函数
  3. 网卡驱动初始化，每个驱动都有一个初始化函数，内核会让驱动也初始化一下。在这个初始化过程中，把自己的DMA准备好，把NAPI的poll函数地址告诉内核
  4. 启动网卡，分配RX，TX队列，注册中断对应的处理函数

当上面都ready之后，就可以打开硬中断，等待数据包的到来了：

  1. 网卡将数据帧DMA到内存的RingBuffer中，然后向CPU发起中断通知
  2. CPU响应中断请求，调用网卡启动时注册的中断处理函数
  3. 中断处理函数几乎没干啥，就发起了软中断请求
  4. 内核线程ksoftirqd线程发现有软中断请求到来，先关闭硬中断
  5. ksoftirqd线程开始调用驱动的poll函数收包
  6. poll函数将收到的包送到协议栈注册的ip_rcv函数中
  7. ip_rcv函数再讲包送到udp_rcv函数中（对于tcp包就送到tcp_rcv）
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