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接收网络包的过程——从硬件网卡解析到IP层

article 2024/11/14 9:28:50

当一些网络包到来触发了中断，内核处理完这些网络包之后，我们可以先进入主动轮询 poll 网卡的方式，主动去接收到来的网络包。如果一直有，就一直处理，等处理告一段落，就返回干其他的事情。当再有下一批网络包到来的时候，再中断，再轮询 poll。这样就会大大减少中断的数量，提升网络处理的效率，这种处理方式我们称为 NAPI。

在网卡驱动程序初始化的时候，我们会调用 ixgb_init_module，注册一个驱动 ixgb_driver，并且调用它的 probe 函数 ixgb_probe。

在 ixgb_probe 中，我们会创建一个 struct net_device 表示这个网络设备，并且 netif_napi_add 函数为这个网络设备注册一个轮询 poll 函数 ixgb_clean，将来一旦出现网络包的时候，就是要通过它来轮询了。

当一个网卡被激活的时候，我们会调用函数 ixgb_open->ixgb_up，在这里面注册一个硬件的中断处理函数。

如果一个网络包到来，触发了硬件中断，就会调用 ixgb_intr，这里面会调用 __napi_schedule。

__napi_schedule 是处于中断处理的关键部分，在他被调用的时候，中断是暂时关闭的，但是处理网络包是个复杂的过程，需要到延迟处理部分，所以 ____napi_schedule 将当前设备放到 struct softnet_data 结构的 poll_list 里面，说明在延迟处理部分可以接着处理这个 poll_list 里面的网络设备。

然后 ____napi_schedule 触发一个软中断 NET_RX_SOFTIRQ，通过软中断触发中断处理的延迟处理部分，也是常用的手段。

在 net_rx_action 中，会得到 struct softnet_data 结构，这个结构在发送的时候我们也遇到过。当时它的 output_queue 用于网络包的发送，这里的 poll_list 用于网络包的接收。

在 net_rx_action 中，接下来是一个循环，在 poll_list 里面取出网络包到达的设备，然后调用 napi_poll 来轮询这些设备，napi_poll 会调用最初设备初始化的时候，注册的 poll 函数，对于 ixgb_driver，对应的函数是 ixgb_clean。

在网络设备的驱动层，有一个用于接收网络包的 rx_ring。它是一个环，从网卡硬件接收的包会放在这个环里面。这个环里面的 buffer_info[]是一个数组，存放的是网络包的内容。i 和 j 是这个数组的下标，在 ixgb_clean_rx_irq 里面的 while 循环中，依次处理环里面的数据。在这里面，我们看到了 i 和 j 加一之后，如果超过了数组的大小，就跳回下标 0，就说明这是一个环。

ixgb_check_copybreak 函数将 buffer_info 里面的内容，拷贝到 struct sk_buff *skb，从而可以作为一个网络包进行后续的处理，然后调用 netif_receive_skb。

从 netif_receive_skb 函数开始，我们就进入了内核的网络协议栈。

接下来的调用链为：netif_receive_skb->netif_receive_skb_internal->__netif_receive_skb->__netif_receive_skb_core。

在 __netif_receive_skb_core 中，我们先是处理了二层的一些逻辑。例如，对于 VLAN 的处理，接下来要想办法交给第三层。

在网络包 struct sk_buff 里面，二层的头里面有一个 protocol，表示里面一层，也即三层是什么协议。deliver_ptype_list_skb 在一个协议列表中逐个匹配。如果能够匹配到，就返回。

网络协议栈的 IP 层，从 ip_rcv 函数开始，我们的处理逻辑就从二层到了三层，IP 层。

在 ip_rcv 中，得到 IP 头，然后又遇到了我们见过多次的 NF_HOOK，这次因为是接收网络包，第一个 hook 点是 NF_INET_PRE_ROUTING，也就是 iptables 的 PREROUTING 链。如果里面有规则，则执行规则，然后调用 ip_rcv_finish。

ip_rcv_finish 得到网络包对应的路由表，然后调用 dst_input，在 dst_input 中，调用的是 struct rtable 的成员的 dst 的 input 函数。在 rt_dst_alloc 中，我们可以看到，input 函数指向的是 ip_local_deliver。

在 ip_local_deliver 函数中，如果 IP 层进行了分段，则进行重新的组合。接下来就是我们熟悉的 NF_HOOK。hook 点在 NF_INET_LOCAL_IN，对应 iptables 里面的 INPUT 链。在经过 iptables 规则处理完毕后，我们调用 ip_local_deliver_finish。

在 IP 头中，有一个字段 protocol 用于指定里面一层的协议，在这里应该是 TCP 协议。于是，从 inet_protos 数组中，找出 TCP 协议对应的处理函数。这个数组的定义如下，里面的内容是 struct net_protocol。

在系统初始化的时候，网络协议栈的初始化调用的是 inet_init，它会调用 inet_add_protocol，将 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol、UDP 协议对应的处理函数 udp_protocol，放到 inet_protos 数组中。

在上面的网络包的接收过程中，会取出 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol，然后调用 handler 函数，也即 tcp_v4_rcv 函数。

接收网络包的上半部分，分以下几个层次。

硬件网卡接收到网络包之后，通过 DMA 技术，将网络包放入 Ring Buffer。
硬件网卡通过中断通知 CPU 新的网络包的到来。
网卡驱动程序会注册中断处理函数 ixgb_intr。
中断处理函数处理完需要暂时屏蔽中断的核心流程之后，通过软中断 NET_RX_SOFTIRQ 触发接下来的处理过程。
NET_RX_SOFTIRQ 软中断处理函数 net_rx_action，net_rx_action 会调用 napi_poll，进而调用 ixgb_clean_rx_irq，从 Ring Buffer 中读取数据到内核 struct sk_buff。
调用 netif_receive_skb 进入内核网络协议栈，进行一些关于 VLAN 的二层逻辑处理后，调用 ip_rcv 进入三层 IP 层。
在 IP 层，会处理 iptables 规则，然后调用 ip_local_deliver，交给更上层 TCP 层。
在 TCP 层调用 tcp_v4_rcv。