tun驱动之write

news2024/10/1 19:23:27

tun的write执行类型下面的代码

int fd = open("/dev/net/tun", O_RDWR)
write(fd, buf, len);


首先要明确一点，向tun驱动写的数据，最后会进入网络协议栈，相当于外部的数据通过网卡进入网络协议栈。所以写入tun驱动的数据，会放到cpu中的input_pkt_queue队列。



一 软中断启动


要想把数据发送将清除，软中断是绕不过去的。因为tun驱动，没有对应的硬件设备，所以不会产生硬中断。
软中断的初始化函数是spawn_ksoftirqd，在函数中注册了软中断处理线程softirq_threads。

static struct smp_hotplug_thread softirq_threads = {
    .store            = &ksoftirqd,
    .thread_should_run    = ksoftirqd_should_run,
    .thread_fn        = run_ksoftirqd,
    .thread_comm        = "ksoftirqd/%u",
};

static __init int spawn_ksoftirqd(void)
{
    cpuhp_setup_state_nocalls(CPUHP_SOFTIRQ_DEAD, "softirq:dead", NULL,
                  takeover_tasklets);
    BUG_ON(smpboot_register_percpu_thread(&softirq_threads));

    return 0;
}


在smpboot_register_percpu_thread中调用了smpboot_register_percpu_thread_cpumask：

int smpboot_register_percpu_thread_cpumask(struct smp_hotplug_thread *plug_thread,
                       const struct cpumask *cpumask)
{
    unsigned int cpu;
    int ret = 0;

    if (!alloc_cpumask_var(&plug_thread->cpumask, GFP_KERNEL))
        return -ENOMEM;
    cpumask_copy(plug_thread->cpumask, cpumask);

    get_online_cpus();
    mutex_lock(&smpboot_threads_lock);
    for_each_online_cpu(cpu) {
        ret = __smpboot_create_thread(plug_thread, cpu);
        if (ret) {
            smpboot_destroy_threads(plug_thread);
            free_cpumask_var(plug_thread->cpumask);
            goto out;
        }
        if (cpumask_test_cpu(cpu, cpumask))
            smpboot_unpark_thread(plug_thread, cpu);
    }
    list_add(&plug_thread->list, &hotplug_threads);
out:
    mutex_unlock(&smpboot_threads_lock);
    put_online_cpus();
    return ret;
}


遍历系统中的每个cpu，调用__smpboot_create_thread创建软中断处理线程：

static int
__smpboot_create_thread(struct smp_hotplug_thread *ht, unsigned int cpu)
{
    struct task_struct *tsk = *per_cpu_ptr(ht->store, cpu);
    struct smpboot_thread_data *td;

    td = kzalloc_node(sizeof(*td), GFP_KERNEL, cpu_to_node(cpu));
    if (!td)
        return -ENOMEM;
    td->cpu = cpu;
    td->ht = ht;

    tsk = kthread_create_on_cpu(smpboot_thread_fn, td, cpu,
                    ht->thread_comm);

    return 0;
}


构造smpboot_thread_data对象，并作为线程处理函数smpboot_thread_fn的参数。

static int smpboot_thread_fn(void *data)
{
    struct smpboot_thread_data *td = data;
    struct smp_hotplug_thread *ht = td->ht;

    while (1) {
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        preempt_disable();

        /* Check for state change setup */
        switch (td->status) {
        if (!ht->thread_should_run(td->cpu)) {
            preempt_enable_no_resched();
            schedule();
        } else {
            __set_current_state(TASK_RUNNING);
            preempt_enable();
            ht->thread_fn(td->cpu);
        }
    }
}


ht即softirq_threads，判断当前是否有软中断，如果有，则执行ht->thread_fn，即run_ksoftirqd。run_ksoftirqd中调用了__do_softirq。

asmlinkage __visible void __softirq_entry __do_softirq(void)
{
    struct softirq_action *h;
    __u32 pending;
    int softirq_bit;

    pending = local_softirq_pending(); // 保存软中断掩码
    account_irq_enter_time(current);

    __local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET);

restart:
    /* Reset the pending bitmask before enabling irqs */
    // 清除软中断标志，必须在local_irq_enable前清除
    set_softirq_pending(0);

    // 强开中断
    local_irq_enable();

    h = softirq_vec;

    while ((softirq_bit = ffs(pending))) {
        unsigned int vec_nr;
        h += softirq_bit - 1;

        vec_nr = h - softirq_vec;

        trace_softirq_entry(vec_nr);
        h->action(h);

        h++;
        pending >>= softirq_bit;
    }

    rcu_bh_qs();
    local_irq_disable(); // 强关中断
}


softirq_vec是softirq_action类型的数组，保存了系统中注册的软中断的处理函数。pending是按位标识了softirq_vec哪个类型的软中断被触发。如果该类型的软中断被触发，调用其处理函数。软中断的处理函数是在哪注册的呢，继续往下看。

二 网络模块初始化


网络模块的初始化函数是net_dev_init。

static int __init net_dev_init(void)
{
    int i, rc = -ENOMEM;

    INIT_LIST_HEAD(&ptype_all);

    for_each_possible_cpu(i) {
        struct work_struct *flush = per_cpu_ptr(&flush_works, i);
        struct softnet_data *sd = &per_cpu(softnet_data, i);

        INIT_WORK(flush, flush_backlog);

        skb_queue_head_init(&sd->input_pkt_queue);
        skb_queue_head_init(&sd->process_queue);
        INIT_LIST_HEAD(&sd->poll_list);
        sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;

        sd->backlog.poll = process_backlog;
        sd->backlog.weight = weight_p;
    }

    open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
    open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);

    return rc;
}


每cpu变量sd保存了发送和接收的网络数据包，其中从其他机器接收的包，放到了input_pkt_queue。
关注下process_backlog，如果驱动不支持napi,则会用到process_backlog。

调用open_softirq注册接收数据的软中段NET_RX_SOFTIRQ的处理函数net_rx_action。

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))
{
	softirq_vec[nr].action = action;
}

open_softirq的处理也相当简单，将该类型的软中断处理函数，放到softirq_vec数组的相应位置。

三 软中断处理函数net_rx_action

static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
    struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
    
    LIST_HEAD(list);
    LIST_HEAD(repoll);

    local_irq_disable();
    // 将poll_list列表中的数据，移到到list列表
    list_splice_init(&sd->poll_list, &list);
    local_irq_enable();

    for (;;) {
        struct napi_struct *n;

        // 获取到相应的napi_struct
        n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list);
        budget -= napi_poll(n, &repoll);
    }

    local_irq_disable();
}

poll_list的数据从哪来的呢， 后面会解答这个疑惑。此次讲解的tun驱动，不支持napi，for循环中获取到的struct napi_struct n为sd->backlog，又是为什么。也会在后面解答。

static int process_backlog(struct napi_struct *napi, int quota)
{
	struct softnet_data *sd = container_of(napi, struct softnet_data, backlog);
	bool again = true;
	int work = 0;

	napi->weight = dev_rx_weight;
	while (again) {
		struct sk_buff *skb;

		while ((skb = __skb_dequeue(&sd->process_queue))) {
			rcu_read_lock();
			__netif_receive_skb(skb);
			rcu_read_unlock();
			input_queue_head_incr(sd);
			if (++work >= quota)
				return work;

		}

		local_irq_disable();
		rps_lock(sd);
		if (skb_queue_empty(&sd->input_pkt_queue)) {
			napi->state = 0;
			again = false;
		} else {
			skb_queue_splice_tail_init(&sd->input_pkt_queue,
						   &sd->process_queue);
		}
		rps_unlock(sd);
		local_irq_enable();
	}

	return work;
}

process_backlog首先处理 process_queue列表中的数据，如果process_queue列表为空，则将input_pkt_queue列表中的数据移到process_queue。调用__netif_receive_skb开始网络协议栈的处理。

四 tun驱动write逻辑

向tun驱动文件中写数据，会走到tun_chr_write_iter-->tun_get_user，在tun_get_user中，根据用户空间传入的数据，组装skb。

static ssize_t tun_get_user(struct tun_struct *tun, struct tun_file *tfile,
			    void *msg_control, struct iov_iter *from,
			    int noblock, bool more)
{
	if (frags) {
	} else if (tfile->napi_enabled) { // 如果tun支持napi
		struct sk_buff_head *queue = &tfile->sk.sk_write_queue;
		int queue_len;

		spin_lock_bh(&queue->lock);
		__skb_queue_tail(queue, skb);
		queue_len = skb_queue_len(queue);
		spin_unlock(&queue->lock);

		if (!more || queue_len > NAPI_POLL_WEIGHT)
			napi_schedule(&tfile->napi);

		local_bh_enable();
	} else if (!IS_ENABLED(CONFIG_4KSTACKS)) {
		tun_rx_batched(tun, tfile, skb, more);
	} else {
		// 将数据传输到IP层
		netif_rx_ni(skb);
	}
}

需要说明一点的是，如果tun支持napi，则走第二个分支。我们这次分析，tun不支持napi，所以走最后一个分支。

然道调用netif_rx_ni-->netif_rx_internal-->enqueue_to_backlog。

static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,
				     struct napi_struct *napi)
{
	list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);
	__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); // 标记软件中断
}


static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu,
			      unsigned int *qtail)
{
	struct softnet_data *sd;
	unsigned int qlen;

	// 获取per cpu数据
	sd = &per_cpu(softnet_data, cpu);

	qlen = skb_queue_len(&sd->input_pkt_queue);
	// 数量小于netdev_max_backlog
	if (qlen <= netdev_max_backlog && !skb_flow_limit(skb, qlen)) { // 判断队列是否超过最大值
		// 如果队列不空，说明当前已经标记过软件中断
		if (qlen) {
enqueue:
			// 把skb添加到input_pkt_queue队列
			__skb_queue_tail(&sd->input_pkt_queue, skb);
			input_queue_tail_incr_save(sd, qtail);
			rps_unlock(sd);
			return NET_RX_SUCCESS;
		}

		if (!__test_and_set_bit(NAPI_STATE_SCHED, &sd->backlog.state)) {
			// 如果NAPI_STATE_SCHED标志没有设置，表示当前没有软中断在处理数据包
			// 将backlog添加到poll_list中，backlog也就是初始化process_backlog
			if (!rps_ipi_queued(sd))
				____napi_schedule(sd, &sd->backlog);
		}
		goto enqueue;
	}
}

在 enqueue_to_backlog，如果qlen不为0,说明当前已经标记了软中断，将skb添加到input_pkt_queue列表中。如果qlen为0,将。backlog添加到poll_list上，然道标记软中断。

数据添加到input_pkt_queue列表后，就会在NET_RX_SOFTIRQ的中断处理函数net_rx_action中处理。

最后，有必要再回顾下net_rx_action。

static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
    struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
    
    LIST_HEAD(list);
    LIST_HEAD(repoll);

    local_irq_disable();
    // sd->poll_list中连接的是sd->backlog->poll_list
    list_splice_init(&sd->poll_list, &list);
    local_irq_enable();

    for (;;) {
        struct napi_struct *n;

        // 获取到相应的napi_struct，即sd->backlog
        n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list);
        budget -= napi_poll(n, &repoll);
    }

    local_irq_disable();
}

将sd->poll_list连接的内容，移到到list列表上，遍历list链表，调用napi_poll。

static int napi_poll(struct napi_struct *n, struct list_head *repoll)
{
	if (test_bit(NAPI_STATE_SCHED, &n->state)) {
		work = n->poll(n, weight);
	}
}

调用n->poll，即sd->backlog->poll，也就是process_backlog。 在process_backlog中开始进入协议栈的处理。

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