linux协议栈学习第七节 GRO的实现

GRO （generic receive offload）

概述：

GRO是在协议栈接收报文时进行减负的一种处理方式，该方式在设计上考虑了多种协议报文。主要原理是在接收端通过把多个相关的报文（比如TCP分段报文）组装成一个大的报文后再传送给协议栈进行处理，因为内核协议栈对报文的处理都是对报文头部进行处理，如果相关的多个报文合并后只有一个报文头，这样就减少了协议栈处理报文个数，加快协议栈对报文的处理速度。

GRO功能对到本机的报文能起到一定的加速作用，但如果linux 运行在转发设备上，一般不需要使用GRO功能，这时使用GRO功能反而会降低处理速度。

GRO功能和只是针对NAPI类型的驱动，网卡驱动支持GRO要调用内核提供的GRO函数进行收包。并且该功能和网络设备硬件无关，是纯软件实现的。

设计需求：

1、需要根据一定的规则进行报文的合并。需要支持各种协议的合并规则。linux实现中是要求支持GRO功能的协议自己实现自己的合并函数，gro根据报文类型调用相应的合并函数。

2、对等待合并的报文应该进行缓存。等合并好后再送进协议栈进行处理。linux实现中在每个NAPI实例中放有一个等待合并的skb队列gro_list。

数据结构：

1、NAPI中GRO相关的字段：

view sourceprint?

1.struct napi_struct

2.{

3.    unsigned int    gro_count; //gro_list 上挂的skb 个数。

4.    struct sk_buff *gro_list; //等待合并的skb 链表

5.}

2、每个协议中定义自己的GRO接收合并函数和合并后处理函数。

接收合并函数定义：

struct sk_buff**(*gro_receive)(struct sk_buff **head,struct sk_buff *skb);

参数：

head:等待合并的skb链表头

skb：接收到的skb。

返回值：

如果为空，表示报文被合并后不需要现在送入协议栈。

如果不为空，表示返回的报文需要立即送入协议栈。

合并后处理函数定义：

int(*gro_complete)(struct sk_buff *skb);

该函数对合并好的报文进行进一步加工，比如更新校验和。

3、GRO功能使用skb结构体内私有空间cb[48]来存放gro所用到的一些信息。

定义结构体struct napi_gro_cb

view sourceprint?

01.struct   napi_gro_cb

02.{

03.    /*指向存在skb_shinfo(skb)->frag[0].page页的数据的头部,

04.      GRO使用过程中，如果skb是线性的，就置为空。

05.      如果是非线性的并且报文头部全部存在非线性区中，

06.      就指向页中的数据起始部分

07.    */

08.    void *frag0;

09.

10.    /*第一页中数据的长度，如果frag0 字段不为空，

11.      就设置该字段，否则为0。( Length of frag0.)

12.    */

13.    unsigned int frag0_len;

14.

15.    /*This indicates where we are processing

16.      relative to skb->data.

17.      表明skb->data到GRO需要处理的数据区的偏移量。

18.      因为在GRO合并处理过程中skb->data是不能被改变的，

19.      所以需要使用该字段来记录一下偏移量。

20.      GRO处理过程中根据该记录值快速找到要处理的数据部分。

21.      比如进入ip层进行GRO处理，这时skb->data指向ip 头，

22.      而ip层的gro 正好要处理ip头，这时偏移量就为0.

23.      进入传输层后进行GRO处理，这时skb->data还指向ip头，

24.      而tcp层gro要处理tcp头，这时偏移量就是ip头部长度。

25.    */

26.    int data_offset;

27.

28.    /*This is non-zero if the packet may be of the same flow.

29.      标记挂在napi->gro_list上的报文是否跟现在的报文进行匹配。

30.      每层的gro_receive都设置该标记位。

31.      接收到一个报文后，使用该报文和挂在napi->gro_list 上

32.      的报文进行匹配。

33.      在链路层，使用dev 和 mac头进行匹配，如果一样表示两个报文是通一个

34.      设备发过来的，就标记napi->gro_list上对应的skb的same为1.

35.      到网络层，再进一步进行匹配时，只需跟napi->list上刚被链路层标记

36.      same为1的报文进行网络层的匹配即可，不需再跟每个报文进行匹配。

37.      如果网络层不匹配，就清除该标记。

38.      到传输层，也是只配置被网络层标记same为1 的报文即可。

39.      这样设计为的是减少没必要的匹配操作

40.    */

41.    int same_flow;

42.

43.    /*This is non-zero if the packet cannot be merged

44.      with the new skb.

45.      如果该字段不为0，表示该数据报文没必要再等待合并，

46.      可以直接送进协议栈进行处理了

47.    */

48.    int flush;

49.

50.    /*该报文被合并过的次数 ,Number of segments aggregated. */

51.    int count;

52.

53.    /* Free the skb? ,是否该被丢弃*/

54.    int free;

55.};

56.#define NAPI_GRO_CB(skb) ((struct napi_gro_cb *)(skb)->cb)

NAPI_GRO_CB(skb) 的初始化：

skb_reset_offset() 来重置gro 的 cb区域。如果是skb非线性的，并且本身不包含数据(包括头也没有),而所有的数据都保存在skb_shared_info中(支持S/G的网卡有可能会这么做)。

因为合并报文时需要报文头的信息，这时报文头是存在skb_shared_info的frags[0]中的，我们使用指针指向正确的报文头部。

view sourceprint?

01.void skb_gro_reset_offset(struct sk_buff *skb)

02.{

03.    NAPI_GRO_CB(skb)->data_offset = 0;

04.    NAPI_GRO_CB(skb)->frag0 = NULL;

05.    NAPI_GRO_CB(skb)->frag0_len = 0;

06.

07.    /*如果skb 不包括数据并且skb_shinfo(skb)->frags[0].page 不在

08.      高端内存中，表示报文头存在skb_shinfo(skb)->frags[0].page中

09.    */

10.    if (skb->mac_header == skb->tail &&

11.        !PageHighMem(skb_shinfo(skb)->frags[0].page))

12.    {

13.        NAPI_GRO_CB(skb)->frag0 =

14.            page_address(skb_shinfo(skb)->frags[0].page) +

15.            skb_shinfo(skb)->frags[0].page_offset;

16.        NAPI_GRO_CB(skb)->frag0_len =

17.            skb_shinfo(skb)->frags[0].size;

18.    }

19.}

GRO在如下地方将报文送进协议栈进行处理：

1、当napi的循环执行完毕时，也就是执行napi_complete的时候，调用napi_gro_flush来把能送协议栈的报文送给协议栈。一般调用napi_complete时，是NAPI一次轮询就处理完了全部的报文，这时短期内网卡可能不会进行报文的接收，所有要把napi->gro_list上的报文都送到协议栈，不用再等待合并后再送了。

view sourceprint?

01.void napi_complete(struct napi_struct *n)

02.{

03.    ......

04.    /*把napi->gro_list上的所有报文调用napi_gro_complete都

05.      送给协议栈，并清空grp_list

06.    */

07.    napi_gro_flush(n);

08.    ......

09.}

10.void napi_gro_flush(struct napi_struct *napi)

11.{

12.    struct sk_buff *skb, *next;

13.    for (skb = napi->gro_list; skb; skb = next)

14.    {

15.        next = skb->next;

16.        skb->next = NULL;

17.        napi_gro_complete(skb);

18.    }

19.    napi->gro_count = 0;

20.    napi->gro_list = NULL;

21.}

2、在napi_skb_finish里，他会通过判断__napi_gro_receive的返回值，来决定是需要将数据包立即送进进协议栈还是保存起来。

view sourceprint?

01.int napi_skb_finish(int ret, struct sk_buff *skb)

02.{

03.    int err = NET_RX_SUCCESS;

04.    switch (ret)

05.    {

06.        /*如果返回NORMAL，就把报文送给协议栈进行处理*/

07.        case GRO_NORMAL:

08.            return netif_receive_skb(skb);

09.        /*如果报文经过检查被丢弃了，释放内存并直接返回*/

10.        case GRO_DROP:

11.            err = NET_RX_DROP;

12.

13.       /*如果报文被合并了，这时报文已经被copy走了，

14.         释放该报文占用的内存

15.        */

16.        case GRO_MERGED_FREE:

17.            kfree_skb(skb);

18.            break;

19.    }

20.    return err;

21.}

GRO 的收包函数：

支持GRO功能的网卡驱动必须支持NAPI接口并调用GRO的专用接收函数napi_gro_receive（）来把报文送给协议栈进行处理。

view sourceprint?

1.int napi_gro_receive(struct napi_struct *napi,

2.                     struct sk_buff *skb)

3.{

4.    skb_gro_reset_offset(skb);

5.    return napi_skb_finish(__napi_gro_receive(napi, skb), skb);

6.}

napi_skb_finish根据__napi_gro_receive(napi, skb)函数返回的结果，来处理报文。如果合并完成或不需要gro处理，返回GRO_NORMAL。

__napi_gro_receive（）算是链路层上实现的gro_receive函数，详解见下文。

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