Linux内核网络设备驱动

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Linux内核网络设备驱动

1.
接收数据包过程概述

介绍数据包收包过程,有助于我们了解Linux内核网络设备在数据收包过程中的位置,下面从宏观的角度介绍数据包从被网卡接收到进入 socket 接收队列的整个过程:

  • 加载网卡驱动,初始化

  • 数据包从外部网络进入网卡

  • 网卡(通过DMA)将包拷贝到内核内存中的 ring buffer

  • 产生硬件中断,通知系统收到了一个包

  • 驱动调用 NAPI ,如果轮询(poll)还没有开始,就开始轮询

  • ksoftirqd
    软中断调用 NAPI 的 poll
    函数从 ring buffer
    收包(poll 函数是网卡驱动在初始化阶段注册的;每个cpu上都运行着一个 ksoftirqd
    进程,在系统启动期间就注册了)

  • ring buffer
    里面对应的内存区域解除映射(unmapped)

  • 如果 packet steering 功能打开,或者网卡有多队列,网卡收到的数据包会被分发到多个cpu

  • 数据包从队列进入协议层

  • 协议层处理数据包

  • 数据包从协议层进入相应 socket 的接收队列

2. 网络设备初始化

下面以常见的Intel I350 网卡的驱动 ibg 为例介绍它的工作过程:

2.1 初始化

驱动会使用 module_init
向内核注册一个初始化函数,当驱动被加载时,内核会调用这个函数。在 drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c
中初始化函数(igb_init_module):

/**
* igb_init_module - Driver Registration Routine
*
* igb_init_module is the first routine called when the driver is
* loaded. All it does is register with the PCI subsystem.
**/
static int __init igb_init_module(void)
{
int ret;
pr_info("%s - version %s\n", igb_driver_string, igb_driver_version);
pr_info("%s\n", igb_copyright);


/* ... */


ret = pci_register_driver(&igb_driver);
return ret;
}


module_init(igb_init_module);

初始化的大部分工作在 pci_register_driver
中完成。

2.2 PCI初始化

Intel I350 网卡是 PCI express
设备。PCI 设备通过 PCI Configuration Space
里面的寄存器识别自己。

PCI express 总线是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范,与PCI总线共享并行架构相比,PCI
Express总线是一种点对点串行连接的设备连接方式,点对点意味着每一个PCI
Express设备都拥有自己独立的数据连接,各个设备之间并发的数据传输互不影响,而对于过去PCI那种共享总线方式,PCI总线上只能有一个设备进行通信,一旦PCI总线上挂接的设备增多,每个设备的实际传输速率就会下降,性能得不到保证。PCI
Express以点对点的方式处理通信,每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道,对于其他设备这个通道是封闭的,这样的操作保证了通道的专有性,避免其他设备的干扰。

当设备驱动编译时, MODULE_DEVICE_TABLE
宏(定义在 include/module.h
) 会导出一个 PCI 设备 ID 列表(a table of PCI device IDs),驱动据此识别它可以控制的设备,内核也会依据这个列表对不同设备加载相应驱动。

igb 驱动的设备表和 PCI 设备 ID 分别见: drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c
drivers/net/ethernet/intel/igb/e1000_hw.h

static DEFINE_PCI_DEVICE_TABLE(igb_pci_tbl) = {
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I354_BACKPLANE_1GBPS) },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I354_SGMII) },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I354_BACKPLANE_2_5GBPS) },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I211_COPPER), board_82575 },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I210_COPPER), board_82575 },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I210_FIBER), board_82575 },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I210_SERDES), board_82575 },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I210_SGMII), board_82575 },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I210_COPPER_FLASHLESS), board_82575 },
{ PCI_VDEVICE(INTEL, E1000_DEV_ID_I210_SERDES_FLASHLESS), board_82575 },
/* ... */
};
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, igb_pci_tbl);

前面提到,驱动初始化的时候会调用 pci_register_driver
,这个函数会将该驱动的各种回调方法注册到一个 struct pci_driver
变量, drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c

static struct pci_driver igb_driver = {
.name = igb_driver_name,
.id_table = igb_pci_tbl,
.probe = igb_probe,
.remove = igb_remove,
/* ... */
};

2.3 网络设备初始化

通过 PCI ID 识别设备后,内核就会为它选择合适的驱动。每个 PCI 驱动注册了一个 probe() 方法,内核会对每个设备依次调用其驱动的 probe 方法,一旦找到一个合适的驱动,就不会再为这个设备尝试其他驱动。

很多驱动都需要大量代码来使得设备 ready,具体做的事情各有差异。典型的过程:

  • 启用 PCI 设备

  • 请求(requesting)内存范围和 IO 端口

  • 设置 DMA 掩码

  • 注册设备驱动支持的 ethtool 方法(后面介绍)

  • 注册所需的 watchdog(例如,e1000e 有一个检测设备是否僵死的 watchdog)

  • 其他和具体设备相关的事情,例如一些 workaround,或者特定硬件的非常规处理

  • 创建、初始化和注册一个 struct net_device_ops 类型变量,这个变量包含了用于设备相关的回调函数,例如打开设备、发送数据到网络、设置 MAC 地址等

  • 创建、初始化和注册一个更高层的 struct net_device 类型变量(一个变量就代表了 一个设备)

下面来看 igb 驱动的 igb_probe
包含哪些过程(drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c):

err = pci_enable_device_mem(pdev);
/* ... */
err = dma_set_mask_and_coherent(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(64));
/* ... */
err = pci_request_selected_regions(pdev, pci_select_bars(pdev,
IORESOURCE_MEM),
igb_driver_name);


pci_enable_pcie_error_reporting(pdev);


pci_set_master(pdev);
pci_save_state(pdev);

更详细的过程可以查看内核文档:https://github.com/torvalds/linux/blob/v3.13/Documentation/PCI/pci.txt

3. 网络设备启动

igb_probe
做了很多重要的设备初始化工作。除了 PCI 相关的,还有如下一些通用网络功能和网络设备相关的工作:

  • 注册 struct net_device_ops 变量

  • 注册 ethtool 相关的方法

  • 从网卡获取默认 MAC 地址

  • 设置 net_device 特性标记

3.1 struct net_device_ops

网络设备相关的操作函数都注册到 struct net_device_ops
类型的变量中(drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c):

static const struct net_device_ops igb_netdev_ops = {
.ndo_open = igb_open,
.ndo_stop = igb_close,
.ndo_start_xmit = igb_xmit_frame,
.ndo_get_stats64 = igb_get_stats64,
.ndo_set_rx_mode = igb_set_rx_mode,
.ndo_set_mac_address = igb_set_mac,
.ndo_change_mtu = igb_change_mtu,
.ndo_do_ioctl = igb_ioctl,
/* ... */
这个变量会在 <code>igb_probe()</code>中赋给 <code>struct net_device</code> 中的<code>netdev_ops</code>字段:
static int igb_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
{
...
netdev->netdev_ops = &igb_netdev_ops;
}

3.2 ethtool 函数注册

ethtool 是一个命令行工具,可以查看和修改网络设备的一些配置,常用于收集网卡统计数据。在 Ubuntu 上,可以 通过 apt-get install ethtool
安装,过会演示通过此工具监控网卡数据。

ethtool 通过 ioctl 和设备驱动通信。内核实现了一个通用 ethtool 接口,网卡驱动实现这些接口,就可以被 ethtool
调用。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 。回调实现了各种简单或复杂的函数,简单的如改变一个 flag
值,复杂的包括调整网卡硬件如何运行。

相关实现见 :drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_ethtool.c

3.3 软中断

当一个数据帧通过 DMA 写到 RAM(内存)后,网卡是如何通知其他系统这个包可以被处理了呢?

传统的方式是,网卡会产生一个硬件中断(IRQ),通知数据包到了。有三种常见的硬中断类型:

  • MSI-X

  • MSI

  • legacy IRQ

如果有大量的数据包到达,就会产生大量的硬件中断。CPU 忙于处理硬件中断的时候,可用于处理其他任务的时间就会减少。

NAPI(New API)是一种新的机制,可以减少产生的硬件中断的数量(但不能完全消除硬中断 )。

3.4 NAPI

NAPI 接收数据包的方式和传统方式不同,它允许设备驱动注册一个 poll 方法,然后调用这个方法完成收包。

NAPI 的使用方式:

  • 驱动打开 NAPI 功能,默认处于未工作状态(没有在收包)

  • 数据包到达,网卡通过 DMA 写到内存

  • 网卡触发一个硬中断,中断处理函数开始执行

  • 软中断(softirq),唤醒 NAPI 子系统。这会触发在一个单独的线程里, 调用驱动注册的 poll 方法收包

  • 驱动禁止网卡产生新的硬件中断,这样做是为了 NAPI 能够在收包的时候不会被新的中断打扰

  • 一旦没有包需要收了,NAPI 关闭,网卡的硬中断重新开启

  • 转步骤 2

和传统方式相比,NAPI 一次中断会接收多个包,因此可以减少硬件中断的数量。

poll 方法是通过调用 netif_napi_add
注册到 NAPI 的,同时还可以指定权重 weight,大部分驱动都 hardcode 为 64。

通常来说,驱动在初始化的时候注册 NAPI poll 方法。

3.5 igb 驱动的 NAPI 初始化

igb 驱动的初始化过程是一个很长的调用链:

  • igb_probe -> igb_sw_init

  • igb_sw_init -> igb_init_interrupt_scheme

  • igb_init_interrupt_scheme -> igb_alloc_q_vectors

  • igb_alloc_q_vectors -> igb_alloc_q_vector

  • igb_alloc_q_vector -> netif_napi_add

从宏观角度来看,这个调用过程会做以下事情:

  • 如果支持 MSI-X,调用 pci_enable_msix
    打开它

  • 计算和初始化一些配置,包括网卡收发队列的数量

  • 调用 igb_alloc_q_vector
    创建每个发送和接收队列

  • igb_alloc_q_vector
    会进一步调用 netif_napi_add
    注册 poll 方法到 NAPI 变量

下面介绍 igb_alloc_q_vector
是如何注册 poll 方法和私有数据的(drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c):

static int igb_alloc_q_vector(struct igb_adapter *adapter,
int v_count, int v_idx,
int txr_count, int txr_idx,
int rxr_count, int rxr_idx)
{
/* ... */


/* allocate q_vector and rings */
q_vector = kzalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!q_vector)
return -ENOMEM;


/* initialize NAPI */
netif_napi_add(adapter->netdev, &q_vector->napi, igb_poll, 64);


/* ... */

q_vector
是新分配的队列, igb_poll
是 poll 方法,当它收包的时候,会通过这个接收队列找到关联的 NAPI 变量(q_vector->napi)。

4. 启用网卡(Bring A Network Device Up)

前面提到 structure net_device_ops
变量,它包含网卡启用、发包、设置 mac 地址等回调函数(函数指针)。

当启用一个网卡时(例如,通过 ifconfig eth0 up), net_device_ops
ndo_open
方法会被调用。它通常会做以下事情:

  • 分配 RX、TX 队列内存

  • 打开 NAPI 功能

  • 注册中断处理函数

  • 打开(enable)硬中断

  • 其他

igb 驱动中,这个方法对应的是 igb_open
函数。

4.1 准备从网络接收数据

目前大部分网卡都使用 DMA 将数据直接写到内存,接下来操作系统可以直接从里面读取。实现这一目的所使用的数据结构是 ring buffer
(环形缓冲区)。

要实现这一功能,设备驱动必须和操作系统合作,预留(reserve)出一段内存来给网卡使用。预留成功后,网卡知道了这块内存的地址,接下来收到的数据包就会放到这里,进而被操作系统取走。

由于这块内存区域是有限的,如果数据包的速率非常快,单个 CPU 来不及取走这些包,新来的包就会被丢弃。这时候, Receive Side Scaling
(RSS,接收端扩展)或者多队列( multiqueue)一类的技术可能就会排上用场。

一些网卡有能力将接收到的数据包写到多个不同的内存区域,每个区域都是独立的接收队列。这样操作系统就可以利用多个 CPU(硬件层面)并行处理收到的数据包。只有部分网卡支持这个功能。

Intel I350 网卡支持多队列,我们可以在 igb 的驱动里看出来。igb 驱动启用的时候 ,最开始做的事情之一就是调用 igb_setup_all_rx_resources
函数。这个函数会对每个 RX 队列调用 igb_setup_rx_resources
, 里面会管理 DMA 的内存。

RX 队列的数量和大小可以通过 ethtool 进行配置,调整这两个参数会对收包或者丢包产生可见影响。

网卡通过对 packet 头(例如源地址、目的地址、端口等)做哈希来决定将 packet 放到哪个 RX 队列。只有很少的网卡支持调整哈希算法。如果支持的话,可以根据算法将特定 的 flow 发到特定的队列, 甚至可以做到在硬件层面直接将某些包丢弃

一些网卡支持调整 RX 队列的权重,可以有意地将更多的流量发到指定的 queue。

4.2 Enable NAPI

前面介绍了驱动如何注册 NAPI poll 方法,但是,一般直到网卡被启用之后,NAPI 才被启用。

启用 NAPI 很简单,调用 napi_enable
函数就行,这个函数会设置 NAPI 变量( struct napi_struct
)中一个表示是否启用的标志位。前面说到,NAPI 启用后并不是立即开始工作(而是等硬中断触发)。

对于 igb,驱动初始化或者通过 ethtool 修改 queue 数量或大小的时候,会启用每个 q_vector
的 NAPI 变量( drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c):

for (i = 0; i < adapter->num_q_vectors; i++)
napi_enable(&(adapter->q_vector[i]->napi));

4.3 注册中断处理函数

启用 NAPI 之后,下一步就是注册中断处理函数。设备有多种方式触发一个中断:

  • MSI-X

  • MSI

  • legacy interrupts

设备驱动的实现也因此而异。驱动必须判断出设备支持哪种中断方式,然后注册相应的中断处理函数,这些函数在中断发生的时候会被执行。

一些驱动,例如 igb,会试图为每种中断类型注册一个中断处理函数,如果注册失败,就尝试下一种类型。

MSI-X 中断是比较推荐的方式,尤其是对于支持多队列的网卡。因为每个 RX 队列有独立的 MSI-X 中断,因此可以被不同的 CPU 处理(通过 irqbalance 方式,或者修改 /proc/irq/IRQ_NUMBER/smp_affinity
)。处理中断的 CPU 也是随后处理这个包的 CPU。这样的话,从网卡硬件中断的层面就可以设置让收到的包被不同的 CPU 处理。

如果不支持 MSI-X,那 MSI 相比于传统中断方式仍然有一些优势,驱动仍然会优先考虑它。

在 igb 驱动中,函数 igb_msix_ring
igb_intr_msi
igb_intr
分别是 MSI-X,MSI 和传统中断方式的中断处理函数。

驱动是如何尝试各种中断类型的( drivers/net/ethernet/intel/igb/igb_main.c):

static int igb_request_irq(struct igb_adapter *adapter)
{
struct net_device *netdev = adapter->netdev;
struct pci_dev *pdev = adapter->pdev;
int err = 0;


if (adapter->msix_entries) {
err = igb_request_msix(adapter);
if (!err)
goto request_done;
/* fall back to MSI */
/* ... */
}


/* ... */


if (adapter->flags & IGB_FLAG_HAS_MSI) {
err = request_irq(pdev->irq, igb_intr_msi, 0,
netdev->name, adapter);
if (!err)
goto request_done;


/* fall back to legacy interrupts */
/* ... */
}


err = request_irq(pdev->irq, igb_intr, IRQF_SHARED,
netdev->name, adapter);


if (err)
dev_err(&pdev->dev, "Error %d getting interrupt\n", err);


request_done:
return err;
}

这就是 igb 驱动注册中断处理函数的过程,这个函数在一个数据包到达网卡触发一个硬件中断时就会被执行。

4.4 Enable Interrupts

到这里,几乎所有的准备工作都就绪了。唯一剩下的就是打开硬中断,等待数据包进来。打开硬中断的方式因硬件而异,igb 驱动是在 __igb_open
里调用辅助函数 igb_irq_enable
完成的。

中断通过写寄存器的方式打开:

static void igb_irq_enable(struct igb_adapter *adapter)
{


/* ... */
wr32(E1000_IMS, IMS_ENABLE_MASK | E1000_IMS_DRSTA);
wr32(E1000_IAM, IMS_ENABLE_MASK | E1000_IMS_DRSTA);
/* ... */
}


现在,网卡已经启用了。驱动可能还会做一些额外的事情,例如启动定时器,工作队列( work queue),或者其他硬件相关的设置。这些工作做完后,网卡就可以接收数据包了。

5. 网卡监控

监控网络设备有几种不同的方式,每种方式的监控粒度(granularity)和复杂度不同。我们先从最粗的粒度开始,逐步细化。

5.1
ethtool -S

ethtool -S
可以查看网卡统计信息(例如接收和发送的数据包总数,接收和发送的流量,丢弃的包数量,错误的数据包数量等):

监控这些数据比较困难。因为用命令行获取很容易,但是以上字段并没有一个统一的标准。不同的驱动,甚至同一驱动的不同版本可能字段都会有差异。

可以先粗略的查看 “drop”, “buffer”, “miss”
等字样。然后,在驱动的源码里找到对应的更新这些字段的地方,这可能是在软件层面更新的,也有可能是在硬件层面通过寄存器更新的。如果是通过硬件寄存器的方式,就得查看网卡的
data sheet(说明书),搞清楚这个寄存器代表什么。ethtoool 给出的这些字段名,有一些是有误导性的(misleading)。

5.2
sysfs

sysfs 也提供了统计信息,但相比于网卡层的统计,要更上层一些。

例如,可以获取的 ens33 的接收端数据包的类型有这些:

获取接收到的数据包的总数为:

不同类型的统计分别位于 /sys/class/net/<NIC>/statistics/
下面的不同文件,包括 collisions
, rx_dropped
, rx_errors
, rx_missed_errors
等等。

要注意的是,每种类型代表什么意思,是由驱动来决定的,因此也是由驱动决定何时以及在哪里更新这些计数的。你可能会发现一些驱动将一些特定类型的错误归类为 drop,而另外一些驱动可能将它们归类为 miss。

这些值至关重要,因此需要查看对应的网卡驱动,搞清楚它们真正代表什么。

5.2
/proc/net/dev

/proc/net/dev
提供了更高一层的网卡统计。

这个文件里显示的统计只是 sysfs 里面的一个子集,但适合作为一个常规的统计参考。

如果对这些数据准确度要求特别高,那必须查看内核源码 、驱动源码和驱动手册,搞清楚每个字段真正代表什么意思,计数是如何以及何时被更新的。Linux内核网络设备驱动先介绍到这里,感谢阅读。

参考链接:

https://blog.packagecloud.io/eng/2016/06/22/monitoring-tuning-linux-networking-stack-receiving-data/

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