Linux网络协议栈：中断下半部处理

2022-10-21 17:08:02

数据包上送

在上一篇文章中，我们介绍过 ei_interrupt 中断处理服务首先会创建一个 sk_buff 数据包对象保存从网卡中接收到的数据，然后调用 netif_rx 函数将数据包上送给网络协议栈处理。

我们先来分析一下 netif_rx 函数的实现：

int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
     int this_cpu = smp_processor_id(); // 获取当前运行的CPU
     struct softnet_data *queue;
     unsigned long flags;
     ...
     queue = &softnet_data[this_cpu]; // 获取当前CPU的待处理的数据包队列
 
     local_irq_save(flags); // 关闭本地硬件中断
 
     // 如果待处理队列的数据包数量没超出限制
     if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
         if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
             ...
 enqueue:
             dev_hold(skb->dev); // 增加网卡设备的引用计数器
             __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb); // 将数据包添加到待处理队列中
             __cpu_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ);  // 启动网络中断下半部处理
             local_irq_restore(flags);
 
             return softnet_data[this_cpu].cng_level;
         }
         ...
         goto enqueue;
     }
     ...
 drop:
     local_irq_restore(flags); // 打开本地硬件中断
     kfree_skb(skb);           // 释放数据包对象
     return NET_RX_DROP;
 }

netif_rx 函数的参数就是要上送给网络协议栈的数据包，netif_rx 函数主要完成以下几个工作：

获取当前 CPU 的待处理的数据包队列，在 Linux 内核初始化时，会为每个 CPU 创建一个待处理数据包队列，用于存放从网卡中读取到网络数据包。
如果待处理队列的数据包数量没超出 netdev_max_backlog 设置的限制，那么调用 __skb_queue_tail 函数把数据包添加到待处理队列中，并且调用 __cpu_raise_softirq 函数启动网络中断下半部处理。
如果待处理队列的数据包数量超出 netdev_max_backlog 设置的限制，那么就把数据包释放。

netif_rx 函数的处理过程如图2 所示：

图2 netif_rx 函数的处理过程

所以，netif_rx 函数的主要工作就是把接收到的数据包添加到待处理队列中，并且启动网络中断下半部处理。

对于 Linux 内核的中断处理机制可以参考我们之前的文章《Linux中断处理：上半部和下半部》，这里就不详细介绍了。在本文中，我们只需要知道网络中断下半部处理例程为 net_rx_action 函数即可。

网络中断下半部处理

上面说了，网络中断下半部处理例程为 net_rx_action 函数，所以我们主要分析 net_rx_action 函数的实现：

static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
     int this_cpu = smp_processor_id();                    // 当前运行的CPU
     struct softnet_data *queue = &softnet_data[this_cpu]; // 当前CPU对于的待处理数据包队列
     ...
     for (;;) {
         struct sk_buff *skb;
 
         local_irq_disable();
         skb = __skb_dequeue(&queue->input_pkt_queue); // 从待处理数据包队列中获取一个数据包
         local_irq_enable();
 
         if (skb == NULL)
             break;
 
         ...
         {
             struct packet_type *ptype, *pt_prev;
             unsigned short type = skb->protocol; // 网络层协议类型
 
             pt_prev = NULL;
             ...
             // 使用网络层协议处理接口处理数据包
             for (ptype = ptype_base[ntohs(type)&15]; ptype; ptype = ptype->next) {
                 if (ptype->type == type
                     && (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev))
                 {
                     if (pt_prev) {
                         atomic_inc(&skb->users);
                         // 如处理IP协议数据包的 ip_rcv() 函数
                         pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev);
                     }
                     pt_prev = ptype;
                 }
             }
 
             if (pt_prev) {
                 // 如处理IP协议数据包的 ip_rcv() 函数
                 pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev);
             } else
                 kfree_skb(skb);
         }
         ...
     }
     ...
     return;
 }

net_rx_action 函数主要完成以下几个工作：

从待处理数据包队列中获取一个数据包，如果数据包为空，那么就退出网络中断下半部。

如果获取的数据包不为空，那么就从数据包的以太网头部中获取到网络层协议的类型。然后根据网络层协议类型从 ptype_base 数组中获取数据处理接口，再通过此数据处理接口来处理数据包。

在内核初始化时，通过调用 dev_add_pack 函数向 ptype_base 数组中注册网络层协议处理接口，如 ip_init 函数：

static struct packet_type ip_packet_type = {

     __constant_htons(ETH_P_IP),
     NULL,
     ip_rcv,  // 处理IP协议数据包的接口
     (void*)1,
     NULL,
 };
 
 void __init ip_init(void)
{
     // 注册网络层协议处理接口
     dev_add_pack(&ip_packet_type);
     ...
 }

所以，net_rx_action 函数主要从待处理队列中获取数据包，然后根据数据包的网络层协议类型，找到相应的处理接口处理数据包。其过程如图3 所示：

从上图可知，net_rx_action 函数将数据包交由网络层协议处理接口后就不管了，而网络层协议处理接口接管数据包后，会对数据包进行进一步处理，如判断数据包的合法性（数据包是否损坏、数据包是否发送给本机）。如果数据包是合法的，就会交由传输层协议处理接口处理。

总结

本文主要介绍了网络中断下半部的处理，从分析可知，网络中断下半部主要工作是从待处理队列中获取数据包，并且根据数据包的网络层协议类型来找到相应的处理接口，然后把数据包交由网络层协议处理接口进行处理。

对于网络层协议处理接口的相关过程，我们将会在后面的文章继续分析。

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