网卡收包基础: 中断-轮询-ring buffer-DMA-NAPI

参考链接：

• NAPL模式
• NAPL简介
• 硬中断和软中断
• 中断与轮询的区别一
• ring buffer

一、 中断

• 从本质上来讲，中断是一种电信号，当设备有某种事件发生时，它就会产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器。
• 如果中断的线是激活的，中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事，跳到中断处理程序的入口点，进行中断处理。

1. 硬中断

• 由与系统相连的外设(比如网卡、硬盘)自动产生的。主要是用来通知操作系统系统外设状态的变化。比如当网卡收到数据包的时候，就会发出一个中断。我们通常所说的中断指的是硬中断(hardirq)。

2. 软中断

• 为了满足实时系统的要求，中断处理应该是越快越好。linux为了实现这个特点，当中断发生的时候，硬中断处理那些短时间就可以完成的工作，而将那些处理事件比较长的工作，放到中断之后来完成，也就是软中断(softirq)来完成。

3. 区别

• 软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。
• 硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。
• 硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。
• 硬中断处理程序要确保它能快速地完成任务，这样程序执行时才不会等待较长时间，称为上半部。
• 软中断处理硬中断未完成的工作，是一种推后执行的机制，属于下半部。
• Linux下硬中断是可以嵌套的，但是没有优先级的概念，也就是说任何一个新的中断都可以打断正在执行的中断，但同种中断除外。软中断不能嵌套，但相同类型的软中断可以在不同CPU上并行执行。

二、轮询

轮询(Polling)IO方式或程序控制IO方式，是让CPU以一定的周期按次序查询每一个外设，看它是否有数据输入或输出的要求，若有，则进行相应的输入／输出服务；若无，或I／O处理完毕柏，CPU就接着查询下一个外设。

三、ring buffer

因为分配给 Ring Buffer 的空间是有限的，当收到的数据包速率大于单个 CPU 处理速度的时候 Ring Buffer 可能被占满，占满之后再来的新数据包会被自动丢弃。

如果在多核 CPU 的服务器上，网卡内部会有多个 Ring Buffer，NIC 负责将传进来的数据分配给不同的 Ring Buffer，同时触发的 IRQ 也可以分配到多个 CPU 上，这样存在多个 Ring Buffer 的情况下 Ring Buffer 缓存的数据也同时被多个 CPU 处理，就能提高数据的并行处理能力。

当然，要实现“NIC 负责将传进来的数据分配给不同的 Ring Buffer”，NIC 网卡必须支持 Receive Side Scaling(RSS) 或者叫做 multiqueue 的功能。RSS 除了会影响到 NIC 将 IRQ 发到哪个 CPU 之外，不会影响别的逻辑了。数据处理过程跟之前描述的是一样的。

三、 NAPI: 数据包处理-中断和轮询的折中方法

1. 使用中断方式时，当包数量过多时，cpu会忙于响应中断而其他线程无法正常使用cpu，造成无法正常工作，因此启动轮询方式来遍历，禁止中断，保证其他线程正常工作。
2. NAPI方式对网卡的收包方式提出了要求，那就是需要支持ring buffer（即支持DMA）的网卡才能真正意义上的使用NAPI方式进行收包，不支持DMA的网卡还是需要通过中断的方式进行收包。
3. NAPI 是 Linux 上采用的一种提高网络处理效率的技术，它的核心概念就是不采用中断的方式读取数据，而代之以首先采用中断唤醒数据接收的服务程序，然后 POLL 的方法来轮询数据。