網絡數據包收發流程(一)：從驅動到協議棧

一、硬件環境

intel82546：PHY與MAC集成在一起的PCI網卡芯片，很強大
bcm5461：   PHY芯片，與之對應的MAC是TSEC
TSEC：      Three Speed Ethernet Controller，三速以太網控制器，PowerPc 架構CPU裏面的MAC模塊
            注意,TSEC內部有DMA子模塊  

話說現在的CPU越來越牛叉了，什麼功能都往裏面加，最常見的如MAC功能。
TSEC只是MAC功能模塊的一種，其他架構的cpu也有和TSEC類似的MAC功能模塊。
這些集成到CPU芯片上的功能模塊有個學名，叫平臺設備，即 platform device。

二、網絡收包原理

網絡驅動收包大致有3種情況：

no NAPI：mac每收到一個以太網包，都會產生一個接收中斷給cpu，即完全靠中斷方式來收包
          缺點是當網絡流量很大時，cpu大部分時間都耗在了處理mac的中斷。

netpoll：在網絡和I/O子系統尚不能完整可用時，模擬了來自指定設備的中斷，即輪詢收包。
         缺點是實時性差

NAPI： 採用 中斷 + 輪詢 的方式：mac收到一個包來後會產生接收中斷，但是馬上關閉。
       直到收夠了netdev_max_backlog個包（默認300），或者收完mac上所有包後，纔再打開接收中斷
       通過sysctl來修改 net.core.netdev_max_backlog
       或者通過proc修改 /proc/sys/net/core/netdev_max_backlog


下面只寫內核配置成使用NAPI的情況，只寫TSEC驅動。（非NAPI的情況和PCI網卡驅動 以後再說）
內核版本 linux 2.6.24

三、NAPI 相關數據結構

每個網絡設備（MAC層）都有自己的net_device數據結構，這個結構上有napi_struct。
每當收到數據包時，網絡設備驅動會把自己的napi_struct掛到CPU私有變量上。
這樣在軟中斷時，net_rx_action會遍歷cpu私有變量的poll_list，
執行上面所掛的napi_struct結構的poll鉤子函數,將數據包從驅動傳到網絡協議棧。

四、內核啓動時的準備工作

4.1 初始化網絡相關的全局數據結構，並掛載處理網絡相關軟中斷的鉤子函數
start_kernel()
    --> rest_init()
        --> do_basic_setup()
            --> do_initcall
               -->net_dev_init

__init net_dev_init()
{
    //每個CPU都有一個CPU私有變量 _get_cpu_var(softnet_data)
    //_get_cpu_var(softnet_data).poll_list很重要，軟中斷中需要遍歷它的
    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); //在軟中斷上掛網絡發送handler
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL); //在軟中斷上掛網絡接收handler
}
   
4.2 加載網絡設備的驅動
NOTE：這裏的網絡設備是指MAC層的網絡設備，即TSEC和PCI網卡（bcm5461是phy）
在網絡設備驅動中創建net_device數據結構，並初始化其鉤子函數 open(),close() 等
掛載TSEC的驅動的入口函數是 gfar_probe

// 平臺設備 TSEC 的數據結構
static struct platform_driver gfar_driver = {
    .probe = gfar_probe,
    .remove = gfar_remove,
    .driver = {
        .name = "fsl-gianfar",
    },
};

int gfar_probe(struct platform_device *pdev)
{
    dev = alloc_etherdev(sizeof (*priv)); // 創建net_device數據結構

    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); //軟中斷裏會調用poll鉤子函數
#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、啓用網絡設備
5.1 用戶調用ifconfig等程序，然後通過ioctl系統調用進入內核
socket的ioctl()系統調用
    --> sock_ioctl()
        --> dev_ioctl()                              //判斷SIOCSIFFLAGS
          --> __dev_get_by_name(net, ifr->ifr_name)  //根據名字選net_device
             --> dev_change_flags()                  //判斷IFF_UP
                --> dev_open(net_device)             //調用open鉤子函數 

 對於TSEC來說，掛的鉤子函數是 gfar_enet_open(net_device)

5.2 在網絡設備的open鉤子函數裏，分配接收bd，掛中斷ISR(包括rx、tx、err)，對於TSEC來說
gfar_enet_open
    --> 給Rx Tx Bd 分配一致性DMA內存 
    --> 把Rx Bd的“EA地址”賦給數據結構，物理地址賦給TSEC寄存器
    --> 把Tx Bd的“EA地址”賦給數據結構，物理地址賦給TSEC寄存器
    --> 給 tx_skbuff 指針數組 分配內存，並初始化爲NULL
    --> 給 rx_skbuff 指針數組 分配內存，並初始化爲NULL

    --> 初始化Tx Bd
    --> 初始化Rx Bd，提前分配存儲以太網包的skb，這裏使用的是一次性dma映射
       （注意：#define DEFAULT_RX_BUFFER_SIZE  1536保證了skb能存一個以太網包）
        rxbdp = priv->rx_bd_base;
        for (i = 0; i < priv->rx_ring_size; i++) {
            struct sk_buff *skb = NULL;
            rxbdp->status = 0;
            //這裏真正分配skb，並且初始化rxbpd->bufPtr, rxbdpd->length
            skb = gfar_new_skb(dev, rxbdp);    
            priv->rx_skbuff[i] = skb;
            rxbdp++;
        }
        rxbdp--;
        rxbdp->status |= RXBD_WRAP; // 給最後一個bd設置標記WRAP標記
        
    --> 註冊TSEC相關的中斷handler： 錯誤，接收，發送
        request_irq(priv->interruptError, gfar_error, 0, "enet_error", dev)
        request_irq(priv->interruptTransmit, gfar_transmit, 0, "enet_tx", dev)//包發送完
        request_irq(priv->interruptReceive, gfar_receive, 0, "enet_rx", dev)  //包接收完

    -->gfar_start(net_device)
        // 使能Rx、Tx
        // 開啓TSEC的 DMA 寄存器
        // Mask 掉我們不關心的中斷event

最終，TSEC相關的Bd等數據結構應該是下面這個樣子的

六、中斷裏接收以太網包

TSEC的RX已經使能了，網絡數據包進入內存的流程爲：
    網線 --> Rj45網口 --> MDI 差分線
         --> bcm5461(PHY芯片進行數模轉換) --> MII總線 
         --> TSEC的DMA Engine 會自動檢查下一個可用的Rx bd 
         --> 把網絡數據包 DMA 到 Rx bd 所指向的內存，即skb->data

接收到一個完整的以太網數據包後，TSEC會根據event mask觸發一個 Rx 外部中斷。
cpu保存現場，根據中斷向量，開始執行外部中斷處理函數do_IRQ()

do_IRQ 僞代碼
{
   上半部處理硬中斷
       查看中斷源寄存器，得知是網絡外設產生了外部中斷
       執行網絡設備的rx中斷handler（設備不同，函數不同，但流程類似，TSEC是gfar_receive）
          1. mask 掉 rx event，再來數據包就不會產生rx中斷
          2. 給napi_struct.state加上 NAPI_STATE_SCHED 狀態
          3. 掛網絡設備自己的napi_struct結構到cpu私有變量_get_cpu_var(softnet_data).poll_list
          4. 觸發網絡接收軟中斷
    下半部處理軟中斷
        依次執行所有軟中斷handler，包括timer，tasklet等等
        執行網絡接收的軟中斷handler  net_rx_action
          1. 遍歷cpu私有變量_get_cpu_var(softnet_data).poll_list 
          2. 取出poll_list上面掛的napi_struct 結構,執行鉤子函數napi_struct.poll()
             (設備不同，鉤子函數不同,流程類似，TSEC是gfar_poll)
          3. 若poll鉤子函數處理完所有包，則打開rx event mask，再來數據包的話會產生rx中斷
          4. 調用napi_complete(napi_struct *n)
             把napi_struct 結構從_get_cpu_var(softnet_data).poll_list 上移走
             同時去掉 napi_struct.state 的 NAPI_STATE_SCHED 狀態
}

6.1 TSEC的接收中斷處理函數
gfar_receive
{
#ifdef CONFIG_GFAR_NAPI
    // test_and_set當前net_device的napi_struct.state 爲 NAPI_STATE_SCHED
    // 在軟中斷裏調用 net_rx_action 會檢查狀態 napi_struct.state
    if (netif_rx_schedule_prep(dev, &priv->napi)) {  
        tempval = gfar_read(&priv->regs->imask);            
        tempval &= IMASK_RX_DISABLED; //mask掉rx，不再產生rx中斷
        gfar_write(&priv->regs->imask, tempval);    
        // 將當前net_device的 napi_struct.poll_list 掛到
        // CPU私有變量__get_cpu_var(softnet_data).poll_list 上，並觸發軟中斷
        // 所以，在軟中斷中調用 net_rx_action 的時候，就會執行當前net_device的
        // napi_struct.poll()鉤子函數,即 gfar_poll()
        __netif_rx_schedule(dev, &priv->napi);   
    } 
#else
    gfar_clean_rx_ring(dev, priv->rx_ring_size);
#endif
}

6.2 網絡接收軟中斷net_rx_action
net_rx_action()
{
    struct list_head *list = &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list;    
    //通過 napi_struct.poll_list， 將N多個 napi_struct 鏈接到一條鏈上 
    //通過 CPU私有變量，我們找到了鏈頭，然後開始遍歷這個鏈

    int budget = netdev_budget; //這個值就是 net.core.netdev_max_backlog，通過sysctl來修改

    while (!list_empty(list)) {
        struct napi_struct *n;
        int work, weight;
        local_irq_enable();
        //從鏈上取一個 napi_struct 結構（接收中斷處理函數里加到鏈表上的，如gfar_receive）
        n = list_entry(list->next, struct napi_struct, poll_list);
        weight = n->weight;
        work = 0;
        if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state)) //檢查狀態標記，此標記在接收中斷里加上的   
            work = n->poll(n, weight); //使用NAPI的話，使用的是網絡設備自己的napi_struct.poll
                                       //對於TSEC是，是gfar_poll
        WARN_ON_ONCE(work > weight);
        budget -= work;
        local_irq_disable();

        if (unlikely(work == weight)) {
            if (unlikely(napi_disable_pending(n)))
                __napi_complete(n); //操作napi_struct,把去掉NAPI_STATE_SCHED狀態，從鏈表中刪去
            else
                list_move_tail(&n->poll_list, list);
        }
        netpoll_poll_unlock(have);
    }
out:
    local_irq_enable();
}

static int gfar_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{
    struct gfar_private *priv = container_of(napi, struct gfar_private, napi);
    struct net_device *dev = priv->dev;  //TSEC對應的網絡設備
    int howmany;  
    //根據dev的rx bd，獲取skb並送入協議棧，返回處理的skb的個數，即以太網包的個數
    howmany = gfar_clean_rx_ring(dev, budget);
    // 下面這個判斷比較有講究的
    // 收到的包的個數小於budget，代表我們在一個軟中斷裏就全處理完了，所以打開 rx硬中斷
    // 要是收到的包的個數大於budget，表示一個軟中斷裏處理不完所有包，那就不打開 rx硬中斷，
    // 此次軟中斷的下一輪循環裏再接着處理，直到包處理完(即howmany<budget)，再打開 rx硬中斷
    if (howmany < budget) {        
        netif_rx_complete(dev, napi);
        gfar_write(&priv->regs->rstat, RSTAT_CLEAR_RHALT);
        //打開 rx 硬中斷，rx 硬中斷是在gfar_receive()中被關閉的
        gfar_write(&priv->regs->imask, IMASK_DEFAULT); 
    }
    return howmany;
}          

gfar_clean_rx_ring(dev, budget)
{
    bdp = priv->cur_rx;
    while (!((bdp->status & RXBD_EMPTY) || (--rx_work_limit < 0))) {
        rmb();
        skb = priv->rx_skbuff[priv->skb_currx]; //從rx_skbuff[]中獲取skb
        howmany++;
        dev->stats.rx_packets++;
        pkt_len = bdp->length - 4;  //從length中去掉以太網包的FCS長度
        gfar_process_frame(dev, skb, pkt_len);
        dev->stats.rx_bytes += pkt_len;
        dev->last_rx = jiffies;
        bdp->status &= ~RXBD_STATS;  //清rx bd的狀態
    
        skb = gfar_new_skb(dev, bdp); // Add another skb for the future
        priv->rx_skbuff[priv->skb_currx] = skb;

        if (bdp->status & RXBD_WRAP)  //更新指向bd的指針
            bdp = priv->rx_bd_base;   //bd有WARP標記，說明是最後一個bd了，需要“繞回來”
        else
            bdp++;
        priv->skb_currx = (priv->skb_currx + 1) & RX_RING_MOD_MASK(priv->rx_ring_size);
    }
    priv->cur_rx = bdp; /* Update the current rxbd pointer to be the next one */
    return howmany;
}
        
gfar_process_frame()  
    -->skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev); //確定網絡層包類型，IP、ARP、VLAN等等
    -->RECEIVE(skb) //調用netif_receive_skb(skb)進入協議棧


#ifdef CONFIG_GFAR_NAPI
#define RECEIVE(x) netif_receive_skb(x)
#else
#define RECEIVE(x) netif_rx(x)
#endif

------------------------------------ 華麗的分割線 ---------------------------------------

呼，netif_receive_skb(skb) 可算到協議棧了，歇會兒....



以太網的FCS會在網卡中斷（如gfar_clean_rx_ring）中忽略掉
    /* Remove the FCS from the packet length */
    pkt_len = bdp->length - 4;

至於填充數據，是在協議棧中被忽略掉的，比如ip協議ip_rcv()
    /* Our transport medium may have padded the buffer out. Now we know it
     * is IP we can trim to the true length of the frame.
     * Note this now means skb->len holds ntohs(iph->tot_len).
     */
    if (pskb_trim_rcsum(skb, len)) {
        IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_INDISCARDS);
        goto drop;
    }