请问网卡驱动收发包过程是怎样的？

网卡

网卡工作在物理层和数据链路层，主要由PHY/MAC芯片、Tx/Rx FIFO、DMA等组成，其中网线通过变压器接PHY芯片、PHY芯片通过MII接MAC芯片、MAC芯片接PCI总线
PHY芯片主要负责：CSMA/CD、模数转换、编解码、串并转换
MAC芯片主要负责：

• 比特流和帧的转换：7字节的前导码Preamble和1字节的帧首定界符SFD
  
• CRC校验
  
• Packet Filtering：L2 Filtering、VLAN Filtering、Manageability / Host Filtering
  
  

Intel的千兆网卡以82575/82576为代表、万兆网卡以82598/82599为代表
收发包过程图

ixgbe_adapter包含ixgbe_q_vector数组（一个ixgbe_q_vector对应一个中断），ixgbe_q_vector包含napi_struct
硬中断函数把napi_struct加入CPU的poll_list，软中断函数net_rx_action()遍历poll_list，执行poll函数





发包过程






1、网卡驱动创建tx descriptor ring（一致性DMA内存），将tx descriptor ring的总线地址写入网卡寄存器TDBA
2、协议栈通过dev_queue_xmit()将sk_buff下送网卡驱动
3、网卡驱动将sk_buff放入tx descriptor ring，更新TDT
4、DMA感知到TDT的改变后，找到tx descriptor ring中下一个将要使用的descriptor
5、DMA通过PCI总线将descriptor的数据缓存区复制到Tx FIFO
6、复制完后，通过MAC芯片将数据包发送出去
7、发送完后，网卡更新TDH，启动硬中断通知CPU释放数据缓存区中的数据包
Tx Ring Buffer

SW将sk_buff挂载到从next_to_use开始的N个descriptor，next_to_use += N，tail = next_to_use（写网卡寄存器TDT）
HW使用DMA读从head开始的M个descriptor的sk_buff，发送成功后回写DD(Descriptor Done)，head += M
SW将从next_to_clean的开始的L个sk_buff移出Tx Ring Buffer并清理，next_to_clean += L
注意：每次挂载完sk_buff后，tail和next_to_use指向同一个descriptor





收包过程






1、网卡驱动创建rx descriptor ring（一致性DMA内存），将rx descriptor ring的总线地址写入网卡寄存器RDBA
2、网卡驱动为每个descriptor分配sk_buff和数据缓存区，流式DMA映射数据缓存区，将数据缓存区的总线地址保存到descriptor
3、网卡接收数据包，将数据包写入Rx FIFO
4、DMA找到rx descriptor ring中下一个将要使用的descriptor
5、整个数据包写入Rx FIFO后，DMA通过PCI总线将Rx FIFO中的数据包复制到descriptor的数据缓存区
6、复制完后，网卡启动硬中断通知CPU数据缓存区中已经有新的数据包了，CPU执行硬中断函数：

• NAPI（以e1000网卡为例）：e1000_intr() -> __napi_schedule() -> __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ)
  
• 非NAPI（以dm9000网卡为例）：dm9000_interrupt() -> dm9000_rx() -> netif_rx() -> napi_schedule() -> __napi_schedule() -> __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ)
  
  

7、ksoftirqd执行软中断函数net_rx_action()：

• NAPI（以e1000网卡为例）：net_rx_action() -> e1000_clean() -> e1000_clean_rx_irq() -> e1000_receive_skb() -> netif_receive_skb()
  
• 非NAPI（以dm9000网卡为例）：net_rx_action() -> process_backlog() -> netif_receive_skb()
  
  

8、网卡驱动通过netif_receive_skb()将sk_buff上送协议栈
Rx Ring Buffer

SW向从next_to_use开始的N个descriptor补充sk_buff，next_to_use += N，tail = next_to_use（写网卡寄存器RDT）
HW写Frame到从head开始的M个descriptor的sk_buff，写完后回写EOP(End of Packet)，head += M
SW将从next_to_clean开始的L个sk_buff移出Rx Ring Buffer并上送协议栈，next_to_clean += L，向从next_to_use开始的L个descriptor补充sk_buff，next_to_use += L，tail = next_to_use
注意：每次补充完sk_buff后，tail和next_to_use指向同一个sk_buff





中断上下部






do_IRQ()是CPU处理硬中断的总入口

do_IRQ()是CPU处理硬中断的总入口


// 在e1000_request_irq()中注册硬中断，中断函数为e1000_intr()
irq_handler_t handler = e1000_intr;
err = request_irq(adapter->pdev->irq, handler, irq_flags, netdev->name,
                  netdev);


// 在net_dev_init()中注册软中断，中断函数为net_rx_action()
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

// 在e1000_probe()中注册napi的poll函数为e1000_clean()
netif_napi_add(netdev, &adapter->napi, e1000_clean, 64);

// 在net_dev_init()中注册非napi的poll函数为process_backlog()
queue->backlog.poll = process_backlog;


netif_rx()
在netif_rx()中把skb加入CPU的softnet_data


int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
   struct softnet_data *queue;
   unsigned long flags;

   /* if netpoll wants it, pretend we never saw it */
   if (netpoll_rx(skb))
      return NET_RX_DROP;

   if (!skb->tstamp.tv64)
      net_timestamp(skb);

   /*
    * The code is rearranged so that the path is the most
    * short when CPU is congested, but is still operating.
    */
   local_irq_save(flags);
   queue = &__get_cpu_var(softnet_data); // 得到CPU的softnet_data

   __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
   if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) { // 若队列长度不大于netdev_max_backlog
      if (queue->input_pkt_queue.qlen) { // 若队列长度非0，表示queue->backlog已被加入poll_list
enqueue:
         __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb); // 将skb加入队列尾部
         local_irq_restore(flags);
         return NET_RX_SUCCESS;
      }

      napi_schedule(&queue->backlog); // 调度queue->backlog
      goto enqueue; // 将skb加入队列尾部
   }

   __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
   local_irq_restore(flags);

   kfree_skb(skb);
   return NET_RX_DROP;
}