Network Interface Packet Reception

網路界面驅動程式有兩種接收封包的方式 -- 中斷驅動和 NAPI。傳統是用中斷驅動，在中斷服務程式裡接收封包，但封包量大時會有中斷次數太多而效能變差的問題。NAPI (意思是 New API) 改成中斷服務程式只通知有封包，Kernel 再排程一次接收多個封包來提昇效能。

中斷驅動方式

• 收到 frame 呼叫中斷服務程式
• 在中斷服務程式通常依封包大小 dev_alloc_skb() 取得 sk_buff 放入封包，struct net_device *dev 指到網路界面、辨別 protocol (什麼時候用到？)、填寫ip_summed 等參數，最後呼叫 netif_rx()。
• 每個處理器有個 softnet_data，netif_rx() 將 sk_buff 放到執行中斷處理器的 softnet_data 的 input_pkt_queue。如果原本 input_pkt_queue 是空的，執行netif_rx_schedule() 將 backlog_dev 加到 softnet_data 的 poll_list 並啟用 NET_RX_SOFTIRQ。如果 input_pkt_queue 大於 netdev_max_backlog 表示滿了，則 drop 並回傳 NET_RX_DROP，可知道壅塞程度。
• 技巧：預先以最大封包為考量取得 skb，讓封包直接接收到 skb。change_mtu() 可知道最大封包大小。

NAPI 用 polling 方式接收封包，底層需要有數個封包的 buffer 放新進封包，當已知有封包進來的情況下，kernel 才擇時去執行 net_device 的 poll 函數並一次將 buffer 中的全部封包接收。這段時間如有新封包再進來，不需要再通知 kernel。當封包流量大時，例如每秒幾千個封包，可以大大減少中斷的次數，降低 kernel 分心。

• 初始化：net_device 設 poll 函數及 weight，weight 說明界面的重要度，不可超過可 buffer 封包的數目。
• 封包進來的中斷呼叫 netif_rx_schedule() 就好，kernel 會排程用 poll 去取封包。
• poll 函數一次最多接收 budget 或 quota 個封包，一樣呼叫 dev_alloc_skb() 取得 skb，放進收到的封包，設定 skb dev、protocol、ip_summed 等參數，但最後是呼叫 netif_receive_skb()。如果接收的封包都處理了，呼叫 netif_rx_complete()，並啟用中斷。

NAPI 有另一個好處，需要拋棄封包時，也可以在收進 kernel 之前就處理掉。例如網路子系統壅塞，可以只收額定的封包。

NAPI 還有更新的改進，從 net_device 獨立出 napi_struct 資料結構，改由驅動程式提供。好處是一個界面可以有多個 napi_struct 來對應硬體支援 multiple receive queues。此外使用的函數也大多不同，如下表：

\	中斷驅動	NAPI	New NAPI
初始化	-	登記 net_device poll 函數	netif_napi_add() 加入一個 napi_struct 並登記 poll 函數 napi_enable
中斷服務程式	dev_alloc_skb() 複製封包、設定參數 netif_rx	netif_rx_schedule()	napi_schedule()
接收封包		dev_alloc_skb() 複製封包、設定參數 netif_receive_skb
buffer 處理完畢	-	netif_rx_complete()	napi_complete()
結束使用	-	-	napi_disable() netif_napi_del()

註：skb 可以事先準備，在初始化時就 dev_alloc_skb

參考：

1. LDD3 ch17
2. Newer, newer NAPI
3. 每個接收封包會在 netif_rx() 或 netif_receive_skb() 執行 netpoll_rx() 一次。
4. Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition 的 4.7 Softirqs and Tasklets (說明 softirq)

相關文章

• Linux(4) 入境封包在L2和L3的處理行為
• Network Drivers: Register

延伸閱讀

• Linux Network Scaling: Receiving Packets
• RSS (Receive Side Scaling)
• RPS (Receive Packet Steering)
• RFS (Receive Flow Steering)
• aRFS (Accelerated Receive Flow Steering)
• Linux network stack, Packet ingress flow, NAPI interruption coalescence, zero-copy (DMA, mmap())

最後更新 20200721