095746-NAPI-技术在-Linux-网络驱动上的应用和完善.doc
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2022-11-30
10:31:05
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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 工作效率比较差，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服务程序，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；根据实验数据表明采用 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 是一种应用比较广泛的网
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基本原理。
但是 NAPI 存在一些比较严重的缺陷：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，累计的数据包将会耗
费大量的内存，经过实验表明在 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较困难，原因是大的数据
包传送到网络层上的时候耗费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 的加入并不会导致向前
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
的部分有详细的介绍），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，在数据包达到的时候，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
的部分网卡芯片，的测试表明如果把从前中断处理的部分都改换用设备的 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 驱动程序介绍中表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 接收事件寄存器响应机制：
COR 机制：当用户程序读状态/事件寄存器，读完成的时候寄存器和 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
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