网卡驱动接收数据----软中断处理数据----socket接收数据

1. 数据接收的详细流程

(1) 网卡接收数据并写入 DMA 缓冲区

• DMA 缓冲区：
  网卡驱动初始化时，会为每个接收队列分配一块 DMA 缓冲区（通常是一个环形队列，称为 RX Ring）。

• 数据接收：
  当网卡接收到数据包时，会通过 DMA（直接内存访问） 将数据包直接写入内核预先分配的 DMA 缓冲区（sk_buff），无需 CPU 参与。

• 描述符更新：
  网卡会更新 接收描述符（Descriptor），标记数据包的位置和状态。

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(2) 硬件中断触发

• 硬件中断：
  当网卡将数据包写入 DMA 缓冲区后，会触发 硬件中断，通知 CPU 有数据到达。

• 硬件中断处理程序：
  硬件中断处理程序（如 ixgbe_msix_clean_rings）执行以下操作：

  1. 从 DMA 缓冲区取出数据包：
     硬件中断处理程序从 DMA 缓冲区中取出数据包（sk_buff）。

  2. 将数据包放入内核的接收队列：
     将数据包放入 每 CPU 的接收队列（如 softnet_data->input_pkt_queue）。

  3. 触发软中断：
     硬件中断处理程序触发 软中断（NET_RX_SOFTIRQ），调度 net_rx_action 执行。

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(3) 软中断处理数据

• 软中断触发：
  硬件中断处理程序触发软中断后，内核会在合适的时机（如硬件中断返回时）调度 net_rx_action 执行。

• net_rx_action 执行：
  net_rx_action 是软中断处理函数，负责从接收队列中取出数据包并进行协议栈处理：

  1. 从接收队列取出数据包：
     从 softnet_data->input_pkt_queue 中取出数据包（sk_buff）。

  2. 协议栈处理：
     解析数据包的协议头（如 Ethernet、IP、TCP/UDP），并将数据包传递给协议栈的上层（如 ip_rcv、tcp_v4_rcv）。

  3. 放入 socket 接收缓冲区：
     将数据包放入对应 socket 的接收缓冲区。

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(4) 进程接收数据

• recv(socket) 调用：
  进程调用 recv(socket) 等待数据时，内核会检查 socket 的接收缓冲区：

  1. 如果接收缓冲区有数据，将数据拷贝到用户空间缓冲区，并返回。

  2. 如果接收缓冲区为空，进程进入睡眠状态，等待数据到达。

• 数据到达时唤醒进程：
  当数据包到达并放入 socket 的接收缓冲区时，内核会唤醒等待的进程。

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2. 关键问题解答

(1) 软中断是从 DMA 写入的内核缓冲区获取数据给协议栈吗？

• 不是直接获取：
  软中断 不直接从 DMA 缓冲区获取数据，而是从 内核的接收队列（如 softnet_data->input_pkt_queue）中获取数据。

• 数据传递路径：

  1. 网卡通过 DMA 将数据包写入 DMA 缓冲区。

  2. 硬件中断处理程序从 DMA 缓冲区取出数据包，放入内核的接收队列。

  3. 软中断从接收队列中取出数据包，传递给协议栈。

(2) 硬中断在其中有转一手拷贝吗？

• 没有额外的拷贝：
  硬件中断处理程序 不会拷贝数据包，而是直接将数据包（sk_buff）从 DMA 缓冲区移动到内核的接收队列。

• 零拷贝设计：
  数据包从网卡到内核协议栈的传递过程中，没有额外的数据拷贝，只有 sk_buff 的指针传递。

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3. 软中断的角色

• 异步处理：
  软中断用于异步处理网络数据包，避免在硬件中断上下文中执行耗时操作（如协议栈处理）。

• 任务分解：
  将数据包处理任务分解为硬件中断（快速接收）和软中断（协议栈处理），提高系统响应速度。

• 批量处理：
  net_rx_action 会批量处理多个数据包，减少上下文切换开销。

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4. 数据传递的路径总结

1. 网卡 → DMA 缓冲区：
   数据通过 DMA 写入内核的 DMA 缓冲区（sk_buff）。

2. DMA 缓冲区 → 内核接收队列：
   硬件中断处理程序将数据包从 DMA 缓冲区移动到内核的接收队列（如 softnet_data->input_pkt_queue）。

3. 内核接收队列 → 协议栈：
   软中断 net_rx_action 从接收队列中取出数据包，传递给协议栈（如 ip_rcv、tcp_v4_rcv）。

4. 协议栈 → socket 接收缓冲区：
   协议栈将数据包放入对应 socket 的接收缓冲区。

5. socket 接收缓冲区 → 用户空间：
   进程调用 recv(socket) 时，内核将数据从 socket 接收缓冲区拷贝到用户空间。

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5. 性能优化

• NAPI（New API）：
  在高流量场景下，使用 NAPI 减少硬件中断次数，通过轮询方式批量处理数据包。

• RPS（Receive Packet Steering）：
  将数据包处理负载均衡到多个 CPU 核心，提高多核系统的性能。

• XDP（eXpress Data Path）：
  在网卡驱动层直接处理数据包，绕过内核协议栈，提升性能。

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6. 总结

• DMA 缓冲区：网卡通过 DMA 将数据包直接写入内核的 DMA 缓冲区。

• 硬件中断：硬件中断处理程序将数据包从 DMA 缓冲区移动到内核的接收队列，并触发软中断。

• 软中断：软中断从接收队列中取出数据包，传递给协议栈。

• 零拷贝设计：数据包从网卡到协议栈的传递过程中，没有额外的数据拷贝。