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网络包的内核漂流记 Part 1 - 图解网络包接收流程

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注,原文来自 https://blog.mygraphql.com/zh/notes/low-tec/network/kernel-net-stack/ 。如你看到的转载图片不清,请回到原文。

目录

《网络包的内核漂流记》系列介绍

大家知道,网络数据来源于网线、光纤、无线电波上的比特(bit),然后到网卡,到内核,最后到应用进程 socket。事情好像很简单。但如果是 SRE/DevOps 或是 Performance Engineer ,需要做细致的监控和优化时,这些显然是不够的。引用本文主要参考作者的原话:

Optimizing and monitoring the network stack is impossible unless you carefully read and understand how it works. You cannot monitor code you don’t understand at a deep level.
除非您仔细阅读并了解其工作原理,否则无法优化和监控网络堆栈。 您无法深入监控您不理解的代码。
—— Joe Damato

《网络包的内核漂流记》尝试分析和跟踪一个网络包在内核各子系统间的流转和触发的协作。

开始前先做个预告,《网络包的内核漂流记》 系统包括:

为免吓跑人,还是老套路,多图少代码。不过有的图有点点复杂。🚜

本文主要参考:Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Receiving Data 。是的,这是篇被转载、参考到泛滥的文章。几乎你能在网上找到的所有讲 Linux 网卡和网络栈收发的文章,都会参考它。但有句话是:

一千个人眼中就有一千个 “哈姆雷特”。 —— 无名高人

风格、样式、本文的交互阅读方式 📖

虽然不是写书,不过还是说明一下吧:

  1. 我不打算像八股文的 Linux 内核文章一样,贴一堆源码,让文章看起来内容很丰满但无趣。我用交互 SVG 图片的的方法去引用源码 😎 。
  2. https://blog.mygraphql.com/zh/notes/low-tec/network/kernel-net-stack/ 的原文是 SVG 图片。如果你是在其它地方看到本文,请转回原文。
  3. 正确浏览 SVG 图片的姿势是浏览器中图片处右键,选择 “新 Tab 中打开图片” 。
  4. SVG 图片可以点击链接,直接跳转到相应内核源码网页,精确到源码行。 是的,你不需要 git clone那大陀源码 🤠 ,只需要一个浏览器就可以。如果你在电脑前开双屏,结合源码和图看,相信我,内核源码不是什么天书,你能看懂大部分的。
  5. 浏览内核源码我用 https://elixir.bootlin.com/linux/v5.4/source 。这个是很好的内核源码浏览网站,内置源码引用跳转和搜索功能。

ISO 网络模型

我并不太学院派,但回顾一下基础知识还是必须的:

OSI 基本参考模型和 TCP/IP 堆栈之间的逻辑映射

图:OSI 基本参考模型和 TCP/IP 堆栈之间的逻辑映射,来自这里

下文把第 n 层缩写为 Ln,如 TRANSPORT 层是第 4 层,缩写为 L4

网络包接收流程概述

图:网络包接收流程概述

上面是我画的图,网上有一图也比较形像:

packet_reception.png

networkmap.png

网络包接收步骤

从代码细节看,网络包接收步骤比较多。下面划分为 4 步来叙述:

  1. 初始化与配置
  2. IRQ 处理
  3. SoftIRQ 中加载网络包到内存
  4. SoftIRQ 中推送网络包到上层

初始化与配置

首先说说,内核启动时,网络子系统的初始化流程。

图:初始化与配置

  1. 创建 ksoftirqd 内核线程(每个 CPU 一个)
  2. ksoftirqd 线程开始在 run_ksoftirqd 函数中执行它们的处理循环。
  3. 接下来,为每个 CPU 创建一个专用的 softnet_data 对象。。这些对象又引用了其它处理网络数据的重要对象。其中之一是下文会提到 poll_list(轮询列表)。 程序通过调用 napi_schedule()函数或来自设备驱动程序的其他 NAPI API 来添加 NAPI 到 poll_list中 。
  4. 然后,net_dev_init() 通过调用 open_softirq() 向 softirq 系统注册 NET_RX_SOFTIRQ 软中断。注册的处理函数称为“net_rx_action()”。这是softirq内核线程将执行以处理数据包的函数。

不要心急,第 4 步以后的步骤,将在下文继续。因需要铺垫一下其它内容。

IRQ 处理

下面,从网卡在网络上接收到数据开始,说说前期的包处理过程。

网络包到达网卡触发 IRQ,IRQ 处理程序完成网络包处理前半部分,并触发 SoftIRQ

  1. 网卡从网络接收数据。
  2. NIC 使用 DMA 将网络数据写入 RAM。
  3. NIC 拉起 IRQ 位。
  4. 设备驱动之前注册的IRQ处理程序被执行。
  5. 清除网卡上的 IRQ,以便它可以为新的数据包到达生成 IRQ。
  6. 通过调用 napi_schedule() 函数,异步触发 NAPI softIRQ 轮询循环。

有了以上铺垫知识后,我们回头看看上节的「初始化与配置」中未讲解的步骤:

5. 驱动中对napi_schedule()的调用将驱动的NAPI poll对象添加到当前CPU的poll_list中。
6. 标记 softirq 拉起位,以便这个 CPU 上的 ksoftirqd 进程知道有数据包要处理。
7. run_ksoftirqd() 函数被调用(由ksoftirq 内核线程循环运行)执行。
8. __do_softirq() 被调用检查softirq 拉起位,看到一个 softIRQ 拉起, 并调用拉起位相关的softIRQ注册的处理程序:net_rx_action(),后续的网络接收数据所有重要的工作将在这个函数中完成。

SoftIRQ 中加载网络包到内存

图:SoftIRQ 中加载网络包到内存

这个图比较简单,不多说。

SoftIRQ 中推送网络包到上层

图:SoftIRQ 中推送网络包到上层

Receive Packet Steering(RPS)被禁用的情况流程为:

1. netif_receive_skb() 将数据传递给 __netif_receive_core()
6. __netif_receive_core() 将数据传送到 TAP(监听模块) (如 PCAP)。
7. __netif_receive_core() 将数据传递给已注册的协议层处理程序。在大多数情况下,是 IPv4 协议栈注册的 ip_rcv 函数。

使用Receive Packet Steering(RPS)的情况流程,这里不说了,我暂时未分析到。

如果你心急,想了解 Receive Packet Steering(RPS) 是什么鬼,那么:

结尾

没太多好说的,好好学习,天天向上。笨人做笨事,做最好的自己。

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Mark Zhu
作者
Mark Zhu
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