本文详细介绍了Linux内核网络协议栈中的NAPI机制，重点解释了NAPI接口和旧接口的相似之处及其如何通过虚拟NAPI设备实现报文处理的共享。文章还深入探讨了NAPI的具体实现细节，包括关键数据结构的定义、初始化过程以及核心函数的工作原理。
Linux 内核协议栈中报文接收的设计思路：
NAPI接口和旧接口两者有一下相同点：
（1）、对报文的处理都应该放在软中断中处理。
（2）、两者都有存储报文的队列，NAPI的队列是由网卡来管理的，旧接口的队列是由内核管理的。
每个NAPI设备都有一个轮询函数来由软中断调用，来进行轮询处理报文。我们可以建立一个虚拟的NAPI设备，让她的轮询函数来轮询的处理旧接口的报文队列，这样NAPI和旧接口的软中断处理函数就可以共用一个。收包软中断处理函数只是进行调用相应NAPI的轮询函数进行处理，并不关心是虚拟NAPI还是非虚拟NAPI。具体轮询细节由相关NAPI的轮询函数自己实现。
如上所述，我们现在可以知道每个CPU上需要有如下几个元素：
1、一个报文的接收队列，由旧接口来使用。
2、一个虚拟的NAPI设备。
3、一个NAPI的链表，上面挂着有报文需要处理的NAPI设备。
Linux内核具体实现：
结构体定义如下
struct softnet_data
{
struct sk_buff_head input_pkt_queue; //旧接口的输入队列
struct list_head poll_list; //有需要处理报文的NAPI设备
struct napi_struct backlog;//虚拟的NAPI设备 backlog
};定义一个per_cpu变量 softnet_data
DECLARE_PER_CPU(struct softnet_data,softnet_data);softnet_data 的初始化如下：
static int __init net_dev_init(void)
{
int i, rc = -ENOMEM;
/*
* Initialise the packet receive queues.
*/
for_each_possible_cpu(i)
{
struct softnet_data *queue;
queue = &per_cpu(softnet_data, i);
/*初始化输入队列*/
skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
queue->completion_queue = NULL;
/*初始化pool 链表头*/
INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list);
/*把backlog的轮询函数初始化为 process_backlog
该函数来处理传统接口使用的输入队列的报文*/
queue->backlog.poll = process_backlog;
/*backlog 轮询函数一次可以处理的报文上限个数*/
queue->backlog.weight = weight_p;
queue->backlog.gro_list = NULL;
queue->backlog.gro_count = 0;
}
}NAPI的数据结构：
每个NAPI需要如下几个元素：
1、一个轮询函数，来轮询处理报文。
2、需要有一个状态，来标识NAPI的调度状态，是正在被调度还是没有被调度。
3、每个NAPI的一次轮询能处理的报文个数应该有一个上限，不能无限制的处理下去，防止独占CPU资源导致其他进程被饿死。
4、每个NAPI应该和一个网络设备进行关联。
5、NAPI设计时考虑了多队列的情况。一个网络设备可以有多个报文队列，这样一个网络设备可以关联多个NAPI，每个NAPI只处理特定的队列的报文。这样在多核情况下，多个CPU核可以并行的进行报文的处理。一般专用的网络多核处理器存在这种情况。
6、每个NAPI在有报文的情况下应该挂到softnet_data的pool_list上去。
如上所述，NAPI的结构体定义如下
struct napi_struct
{
struct list_head poll_list;//挂到softnet_data的pool_list上
unsigned long state;//NAPI的调度状态
int weight;//一次轮询的最大处理报文数
int (*poll)(struct napi_struct *, int);//轮询函数
struct net_device *dev;//指向关联的网络设备
struct list_head dev_list;//对应的网络设备上关联的NAPI链表节点
/*其他字段是gso功能用，这里先不讨论*/
};NAPI的调度状态：
NAPI_STATE_SCHED设置时表示该NAPI有报文 需要接收。即把NAPI挂到softnet_data 时要设置该状态，处理完从softnet_data 上摘除该NAPI时要清除该状态。
一些NAPI的函数详解：
1、netif_napi_add（）,把网络设备net_device 和NAPI结构相绑定。
void netif_napi_add(struct net_device *dev,
struct napi_struct *napi,
int (*poll)(struct napi_struct *, int), int weight)
{
INIT_LIST_HEAD(&napi->poll_list);
napi->poll = poll;
napi->weight = weight;
/*把NAPI加入到网络设备相关联的NAPI链表上去。*/
list_add(&napi->dev_list, &dev->napi_list);
napi->dev = dev;
/*绑定时设置NAPI是已调度状态，禁用该NAPI,以后手动的来清除该标识来使
能NAPI.*/
set_bit(NAPI_STATE_SCHED, &napi->state);
}2、使能和禁用NAPI：
static inline void napi_disable(struct napi_struct *n)
{
/*先设置NAPI状态为DISABLE*/
set_bit(NAPI_STATE_DISABLE, &n->state);
/*循环的等待NAPI被调度完成,变成可用的，设置成SCHED状态*/
while (test_and_set_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state))
msleep(1);
/*清除DISABLE状态*/
clear_bit(NAPI_STATE_DISABLE, &n->state);
}3、调度NAPI
void __napi_schedule(struct napi_struct *n)
{
unsigned long flags;
/*链表操作必须在关闭本地中断的情况下操作，防止硬中断抢占*/
local_irq_save(flags);
/*把NAPI加入到本地CPU的softnet_data 的pool_list 链表上*/
list_add_tail(&n->poll_list,
&__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);
/*调度收包软中断*/
__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
local_irq_restore(flags);
}4、NAPI执行完毕，如果NAPI一次轮询处理完队列的所以报文，调用该函数。
void __napi_complete(struct napi_struct *n)
{
BUG_ON(!test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state));
BUG_ON(n->gro_list);
/*把NAPI从softnet_data的pool_list上摘除下来*/
list_del(&n->poll_list);
/*使能NAPI，允许它下次可以被再次调度*/
smp_mb__before_clear_bit();
clear_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state);
}一般网卡驱动的NAPI的步骤：
1、不同的网卡驱动都会为网络设备定义自己的结构体。有的是自己的结构体中即包括net_device和napi,有的是把自己的结构体放到net_device的priv部分。
2、实现NAPI的轮询函数 rx_pool(struct napi_struct *napi，int weigh);
int rx_pool(struct napi_struct *napi,int weigh)
{
int rx_cnt = 0;
struct sk_buff *skb;
while(rx_cnt < weigh)
{
skb = netdev_alloc_skb();
copy_skb_form_hw(skb);//把报文从硬件缓存中读到内存skb中*/
rx_cnt ++;
netif_receive_skb(skb);//送协议栈直接处理
}
if(rx_cnt < weigh)
{
/*处理报文小与允许处理最大个数，表示一次轮询处理完全部的报文。
使能收包中断*/
napi_complete(napi)
enable_rx_irq();
}
return rx_cnt;
}
3、把网络设备跟NAPI相关联，netif_napi_add(netdev,napi,rx_pool,weigh)；
4、注册网卡的收包中断：例：
request_irq(irq,&rx_irq_handle, 0, netdev->name, netdev);
在中断处理函数中
static irqreturn_t rx_irq_handle(int irq, void *data)
{
struct net_device *netdev = data
struct napi_struct *napi = netdev_priv(netdev)->napi;
disable_rx_irq();
__napi_schedule(napi);
}
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