NAPI-技术在-Linux-网络驱动上的应用和完善.docx__rtw_napi_gro

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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 POLL 的方法来轮询数据，类似于底半方式〔bottom-half 的处理

模式〕；但是目前在 Linux 的 NAPI 工作效率比拟差，本文在分析 NAPI 的同时，提供了

一种高效的改善方式供大家参考。

　　前言：

　　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效劳程序，然后 POLL 的方法

来轮询数据，〔类似于底半〔bottom-half〕处理模式〕；从我们在实验中所得到的数据来看，

在随着网络的接收速度的增加，NIC 触发的中断能做到不断减少，目前 NAPI 技术已经在

网卡驱动层和网络层得到了广泛的应用，驱动层次上已经有 E1000 系列网卡，RTL8139 系

列网卡，3c50X 系列等主流的网络适配器都采用了这个技术，而在网络层次上，NAPI 技术

已经完全被应用到了著名的 netif_rx 函数中间，并且提供了专门的 POLL 方法

--process_backlog 来处理轮询的方法；根据实验数据说明采用 NAPI 技术可以大大改善短长

度数据包接收的效率，减少中断触发的时间；由于 RTL8139CP 是一种应用比拟广泛的网

络适配器，所以本文以其为例，说明了 NAPI 技术在网络适配器上的应用和根本原理。

　　但是 NAPI 存在一些比拟严重的缺陷：而对于上层的应用程序而言，系统不能在每个

数据包接收到的时候都可以及时地去处理它，而且随着传输速度增加，累计的数据包将会消

耗大量的内存，经过实验说明在 Linux 平台上这个问题会比在 FreeBSD 上要严重一些；

另外采用 NAPI 所造成的另外一个问题是对于大的数据包处理比拟困难，原因是大的数据

包传送到网络层上的时候消耗的时间比短数据包长很多〔即使是采用 DMA 方式〕，所以正

如前面所说的那样，NAPI 技术适用于对高速率的短长度数据包的处理，在本文的末尾提出

了 NAPI 的改善方法，和实验数据。

　　使用 NAPI 先决条件：

　　驱动可以继续使用老的 2.4 内核的网络驱动程序接口，NAPI 的参加并不会导致向前

兼容性的丧失，但是 NAPI 的使用至少要得到下面的保证：

　　A. 要使用 DMA 的环形输入队列〔也就是 ring_dma，这个在 2.4 驱动中关于 Ethernet

的局部有详细的介绍〕，或者是有足够的内存空间缓存驱动获得的包。

　　B. 在发送/接收数据包产生中断的时候有能力关断 NIC 中断的事件处理，并且在关断

NIC 以后，并不影响数据包接收到网络设备的环形缓冲区〔以下简称 rx-ring〕处理队列中。

　　NAPI 对数据包到达的事件的处理采用轮询方法，在数据包到达的时候，NAPI 就会强

制执行 dev->poll 方法。而和不象以前的驱动那样为了减少包到达时间的处理延迟，通常采

用中断的方法来进行。

　　应当注意的是，经过测试如果 DEC Tulip 系列〔DE21x4x 芯片〕以及 National Semi

的局部网卡芯片，的测试说明如果把从前中断处理的局部都改换用设备的 POLL 方法去执

行，那么会造成轻微的延迟，因此在进行 MII〔介质无关〕的操作上就需要一些小小的诀

窍,详见 mii_check_media 的函数处理流程，本文不做详细讨论。

　　在下面显示的例子表示了在 8139 中如何把处理过程放在 dev 的 poll 方法中，把所有

的原来中断应该处理的过程放在了 POLL 方法里面，篇幅起见，我们只介绍接收的 POLL

方法。

　　在下面的 8139CP 驱动程序介绍中说明了可以把在中断程序中所做的任何事情放在

POLL 方法中去做，当然不同的 NIC 在中断中所要处理的状态和事件是不一样的。

　　对于所有的 NIC 设备，以下两种类型的 NIC 接收事件存放器响应机制：

　　 COR 机制：当用户程序读状态/事件存放器，读完成的时候存放器和 NIC 的 rx-ring 中

表示的状态队列将被清零，natsemi 和 sunbmac 的 NIC 会这样做，在这种情况下，必须把

NIC 所有以前的中断响应的处理局部都移动到 POLL 方法中去。

　　 COW 机制：用户程序写状态存放器的时候，必须对要写的位先写 1 清 0，如下面要

介绍的 8139CP 就是这样的类型，大多数的 NIC 都属于这种类型，而且这种类型对 NAPI

响应得最好，它只需要把接收的数据包处理局部放置在 POLL 方法中，而接收事件的状态

处理局部放在原先的中断控制程序中,我们等下将要介绍的 8139CP 类型网卡就是属于这种

类型。

　　C．有防止 NIC 队列中排队的数据包冲突的能力。

　　当关断发送/接收事件中断的时候，NAPI 将在 POLL 中被调用处理，由于 POLL 方

法的时候，NIC 中断已经不能通知包到达，那么这个时候在如果在完成轮询，并且中断翻

开以后，会马上有一个 NIC 中断产生，从而触发一次 POLL 事件，这种在中断关断时刻

到达的包我们称为"rotting"；这样就会在 POLL 机制和 NIC 中断之间产生一个竞争，解决

的方法就是利用网卡的接收状态位，继续接收环形队列缓冲 rx-ring 中的数据，直到没有数

据接收以后，才使能中断。

　　锁定和防冲突机制：

　　- 1.SMP 的保证机制：保证同时只有一个处理器调用网络设备的 POLL 方法，因为我

们将在下面看到同时只有一个处理器可以对调用 netif_rx_schedule 挂在 POLL 队列中的

NIC 设备调用 POLL 方法。

　　- 2. 网络核心层〔net core〕调用设备驱动程序使用循环方式发送数据包，在设备驱动层

接收数据包的时候完全无锁的接收，而网络核心层那么同样要保证每次只有一个处理器可以

使用软中断处理接收队列。

　　- 3. 在多个处理器对 NIC 的 rx-ring 访问的时刻只能发生在对循环队列调用关闭

〔close〕和挂起〔suspend〕方法的时候〔在这个时刻会试图去除接收循环队列〕

　　- 4. 数据同步的问题〔对于接收循环队列来说〕，驱动程序是不需要考虑的网络层上的

程序已经把这些事情做完了。

　　- 5. 如果没有把全部的局部交给 POLL 方法处理，那么 NIC 中断仍然需要使能，接

收链路状态发生变化和发送完成中断仍然和以前的处理步骤一样，这样处理的假设是接收中

断是设备负载最大的的情况，当然并不能说这样一定正确。

　　下面的局部将详细介绍在接收事件中调用设备的 POLL 方法。　　

　　NAPI 提供的重要函数和数据结构和函数：

　　核心数据结构：

　　struct softnet_data 结构内的字段就是 NIC 和网络层之间处理队列,这个结构是全局的，

它从 NIC 中断和 POLL 方法之间传递数据信息。其中包含的字段有：

　　struct softnet_data

　　{

　　intthrottle;/*为 1 表示当前队列的数据包被禁止*/

　　intcng_level;/*表示当前处理器的数据包处理拥塞程度*/

　　intavg_blog;/*某个处理器的平均拥塞度*/

　　struct sk_buff_headinput_pkt_queue;/*接收缓冲区的 sk_buff 队列*/

　　struct list_head poll_list;/*POLL 设备队列头*/

　　struct net_device output_queue; /*网络设备发送队列的队列头*/

　　struct sk_buffcompletion_queue; /*完成发送的数据包等待释放的队列*/

　　struct net_devicebacklog_dev;/*表示当前参与 POLL 处理的网络设备*/

　　};

　　核心 API:

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