xen网络后端驱动分析（发送篇）
这篇来研究netback的报文发送，后端设备创建过程中会调用netif_map，映射tx, rx的IO ring，同时绑定event channel中断。当netfront要发送skb时，会触发irq让后端发送，对应的ISR为netif_be_intirqreturn_t netif_be_int(int irq, void *dev_id)
{
struct xen_netif *netif = dev_id;
add_to_net_schedule_list_tail(netif);
maybe_schedule_tx_action();
直接触发net_tx_action软中断发送
if (netif_schedulable(netif) && !netbk_queue_full(netif))
netif_wake_queue(netif->dev);
netif_wake_queue最终取出qdisc上queue的skb，触发net_tx_action软中断发送
return IRQ_HANDLED;
}
netback报文发送会用到如下数据结构
static struct page **mmap_pages
mmap_pages是后端用来让前端映射的页数组，前端把需要发送的sg类型skb对应的page通过grant table映射到后端mmap_pages指向的页（如果映射失败，那么拷贝skb内容到page中）。对于这些page而言，page->mapping - 1被用来存放page在mmap_pages中的index，e.g.
static inline void netif_set_page_index(struct page *pg, unsigned int index)
{
*(unsigned long *)&pg->mapping = index + 1;
}
static inline int netif_page_index(struct page *pg)
{
unsigned long idx = (unsigned long)pg->mapping - 1;
if (!PageForeign(pg))
return -1;
if ((idx >= MAX_PENDING_REQS) || (mmap_pages != pg))
return -1;
return idx;
}
netback_init的初始化例程会初始化好mmap_pages数组，
mmap_pages = alloc_empty_pages_and_pagevec(MAX_PENDING_REQS);
for (i = 0; i < MAX_PENDING_REQS; i++) {
page = mmap_pages;
SetPageForeign(page, netif_page_release);
netif_set_page_index(page, i);
INIT_LIST_HEAD(&pending_inuse.list);
}
SetPageForeign把mmap_pages中的page设置成为foreign，这是xen支持的一种特殊的page，大致是说page的owener是其他的domain。同时page的析构函数为netif_page_release，函数通过page查找到mmap_pages的index，然后调用了netif_idx_release
static void netif_idx_release(u16 pending_idx)
{
static DEFINE_SPINLOCK(_lock);
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&_lock, flags);
dealloc_ring = pending_idx;
/* Sync with net_tx_action_dealloc: insert idx /then/ incr producer. */
smp_wmb();
dealloc_prod++;
spin_unlock_irqrestore(&_lock, flags);
tasklet_schedule(&net_tx_tasklet);
}
netif_idx_release把mmap_pages中第pending_idx个page挂到dealloc_prod下面，触发net_tx_tasklet软中断。在软中断处理例程net_tx_action中会调用net_tx_action_dealloc处理从dealloc_cons到dealloc_prod之间的需要释放的page
static u16 dealloc_ring;
static pending_ring_idx_t dealloc_prod, dealloc_cons;
dealloc_ring是一个线性数组用来当做ring使用，dealloc_prod, dealloc_cons分别是单向增长的生产者和消费者
/* Doubly-linked list of in-use pending entries. */
static struct netbk_tx_pending_inuse pending_inuse;
static LIST_HEAD(pending_inuse_head);
struct netbk_tx_pending_inuse {
struct list_head list;
unsigned long alloc_time;
};
pending_inuse实际是一个list_head的数组，其中某些list_head组成了一个double-linked list，头部是pending_inuse_head。这个list_head代表了目前正在等待被发送的request
static struct pending_tx_info {
struct xen_netif_tx_request req;
struct xen_netif *netif;
} pending_tx_info;
static u16 pending_ring;
static pending_ring_idx_t pending_prod, pending_cons;
pending_prod, pending_cons是pending_ring数组的生产者和消费者，pending_ring数组存放的是pending_tx_info的index值，每一个pending_tx_info结构体都包含了代表后端设备的xen_netif结构体指针和代表发送请求的xen_netif_tx_request指针
inline static void net_tx_action_dealloc(void)
{
struct netbk_tx_pending_inuse *inuse, *n;
struct gnttab_unmap_grant_ref *gop;
u16 pending_idx;
pending_ring_idx_t dc, dp;
struct xen_netif *netif;
int ret;
LIST_HEAD(list);
dc = dealloc_cons;
gop = tx_unmap_ops;
/*
* Free up any grants we have finished using
*/
do {
dp = dealloc_prod;
/* Ensure we see all indices enqueued by netif_idx_release(). */
smp_rmb();
while (dc != dp) {
unsigned long pfn;
pending_idx = dealloc_ring;
list_move_tail(&pending_inuse.list, &list);
pfn = idx_to_pfn(pending_idx);
/* Already unmapped? */
if (!phys_to_machine_mapping_valid(pfn))
continue;
gnttab_set_unmap_op(gop, idx_to_kaddr(pending_idx),
GNTMAP_host_map,
grant_tx_handle);
gop++;
}
这段代码遍历从dealloc_cons到dealloc_prod的dealloc_ring数组项，dealloc_ring中保存了对应的mmap_pages的index. 在pending_inuse数组中找到对应的netbk_tx_pending_inuse项，把list_head从原来的pending_inuse_head的list_head中拿下来，加到新的list中
同时，对每一个pending_idx，设置gnttab_unmap_grant_ref结构体，用来删除一个GR，其中GR的handle为grant_tx_handle，GR的host地址为idx_to_kaddr(pending_idx)
所有生成的gnttab_unmap_grant_ref数组被存到tx_unmap_ops数组中
if (netbk_copy_skb_mode != NETBK_DELAYED_COPY_SKB ||
list_empty(&pending_inuse_head))
break;
/* Copy any entries that have been pending for too long. */
list_for_each_entry_safe(inuse, n, &pending_inuse_head, list) {
if (time_after(inuse->alloc_time + HZ / 2, jiffies))
break;
pending_idx = inuse - pending_inuse;
pending_tx_info.netif->nr_copied_skbs++;
switch (copy_pending_req(pending_idx)) {
case 0:
list_move_tail(&inuse->list, &list);
continue;
case -EBUSY:
list_del_init(&inuse->list);
continue;
case -ENOENT:
continue;
}
break;
}
对于在pending_inuse_head的list中停留时间过长的请求，会调用copy_pending_req把mmap_pages中对应的页替换为一个新的页，该过程通过调用gnttab_copy_grant_page完成。
gnttab_copy_grant_page会通过alloc_page申请一个新页，把老页的内容memcpy给新页，之后通过GNTTAB_unmap_and_replace的操作，把原来映射到老页的GR，映射到新页上
} while (dp != dealloc_prod);
dealloc_cons = dc;
ret = HYPERVISOR_grant_table_op(
GNTTABOP_unmap_grant_ref, tx_unmap_ops, gop - tx_unmap_ops);
BUG_ON(ret);
通过GNTTAB_unmap_grant_ref操作，释放GR，下面就可以告诉前端，发送已经完成，这些pages可以用来做下一次发送了
list_for_each_entry_safe(inuse, n, &list, list) {
pending_idx = inuse - pending_inuse;
netif = pending_tx_info.netif;
make_tx_response(netif, &pending_tx_info.req,
NETIF_RSP_OKAY);
/* Ready for next use. */
gnttab_reset_grant_page(mmap_pages);
pending_ring = pending_idx;
netif_put(netif);
list_del_init(&inuse->list);
}
对于pending_inuse的page，调用make_tx_response生成xen_netif_tx_response并通知前端发送成功，返回给前端NETIF_RSP_OKAY。同时调用gnttab_reset_grant_page重置mmap_pages中对应的page. 这些空闲的page又可以拿来给下一次请求使用
}
这里我们基本可以猜出几个MAX_PENDING_REQS大小的数组的作用了：
1. mmap_pages是一个struct page* 数组，用来存放用来给GR映射的页指针，与之对应的是grant_tx_handle数组，存放GR对应的grant_handle_t
2. 当前端发送请求来到后端之后，会被映射到mmap_pages中空闲的页中（我们知道一个xen_netif_tx_request最多只对应一个page，请看我对netfront代码的分析），此时通过pending_ring来获取空闲的mmap_pages。pending_ring的pending_prod指向空闲页在mmap_pages中的位置。
3. pending_prod指向的pending_ring_idx_t同时也指向了pending_tx_info数组中请求内容的位置。这个请求的内容xen_netif_tx_request，和对应的netback设备xen_netif都存在这个pending_tx_info结构体中
4. pending_cons用来处理pending_prod指向的前端发送请求，所有正在被后端发送的请求都会被放入struct netbk_tx_pending_inuse pending_inuse数组，这里struct netbk_tx_pending_inuse实际是一个list_head，pending_inuse_head是这个list_head的头部，list成员按照alloc time从早到晚依次加入到尾部
5. 当请求被成功发送后，dealloc_prod会相应增加。dealloc_ring数组用来存放需要被释放页在mmap_pages中的位置。一旦某个page被释放，其pending_inuse_idx_t对应的pending_inuse数组成员会被从pending_inuse_head链表中移除掉
6. 总结：pending_ring, dealloc_ring构成了一个IO环，可以把pending_prod, pending_cons看作request prod, request cons, 而把dealloc_prod, dealloc_cons看作是rsp_prod, rsp_cons
pending_cons一直到pending_prod的slots表示pending_ring中还有多少空闲的slots可以用来发送，MAX_PENDING_REQS - pending_prod + pending_cons表示已经被待发送请求占用的slots个数，也就是nr_pending_reqs返回的值
static void make_tx_response(struct xen_netif *netif,
struct xen_netif_tx_request *txp,
s8 st)
{
RING_IDX i = netif->tx.rsp_prod_pvt;
struct xen_netif_tx_response *resp;
int notify;
resp = RING_GET_RESPONSE(&netif->tx, i);
resp->id = txp->id;
resp->status = st;
if (txp->flags & NETTXF_extra_info)
RING_GET_RESPONSE(&netif->tx, ++i)->status = NETIF_RSP_NULL;
netif->tx.rsp_prod_pvt = ++i;
RING_PUSH_RESPONSES_AND_CHECK_NOTIFY(&netif->tx, notify);
/*
* netfront_smartpoll_active indicates whether netfront timer
* is active.
*/
if ((netif->smart_poll == 1)) {
if (!(netif->rx.sring->private.netif.smartpoll_active)) {
notify_remote_via_irq(netif->irq);
netif->rx.sring->private.netif.smartpoll_active = 1;
}
} else if (notify)
notify_remote_via_irq(netif->irq);
}
make_tx_response比较简单，就是生成xen_netif_tx_response后把响应返回给前端。注意对于NETTXF_extra_info类型的请求，响应是NETIF_RSP_NULL
static unsigned net_tx_build_mops(void)
{
struct gnttab_map_grant_ref *mop;
struct sk_buff *skb;
int ret;
mop = tx_map_ops;
tx_map_ops是一个gnttab_map_grant_ref的数组，而tx_unmap_ops则是一个gnttab_unmap_grant_ref的数组
while (((nr_pending_reqs() + MAX_SKB_FRAGS) < MAX_PENDING_REQS) &&
!list_empty(&net_schedule_list)) {
如果此时pending_ring的可用slots可以容纳最大的一个请求，同时net_schedule_list里有活动的xen_netif，那么循环处理发送请求
struct xen_netif *netif;
struct xen_netif_tx_request txreq;
struct xen_netif_tx_request txfrags;
struct xen_netif_extra_info extras;
u16 pending_idx;
RING_IDX idx;
int work_to_do;
unsigned int data_len;
/* Get a netif from the list with work to do. */
netif = list_first_entry(&net_schedule_list, struct xen_netif, list);
netif_get(netif);
remove_from_net_schedule_list(netif);
RING_FINAL_CHECK_FOR_REQUESTS(&netif->tx, work_to_do);
if (!work_to_do) {
netif_put(netif);
continue;
}
idx = netif->tx.req_cons;
rmb(); /* Ensure that we see the request before we copy it. */
memcpy(&txreq, RING_GET_REQUEST(&netif->tx, idx), sizeof(txreq));
/* Credit-based scheduling. */
if (txreq.size > atomic64_read(&netif->remaining_credit) &&
tx_credit_exceeded(netif, txreq.size)) {
netif_put(netif);
continue;
}
atomic64_sub(txreq.size,&netif->remaining_credit);
work_to_do--;
netif->tx.req_cons = ++idx;
如果netif有请求要处理，同时QoS也允许发送，那么把请求可能的第一个frag拷贝到txreq，同时netif->tx.req_cons自增1
memset(extras, 0, sizeof(extras));
if (txreq.flags & NETTXF_extra_info) {
work_to_do = netbk_get_extras(netif, extras,
work_to_do);
idx = netif->tx.req_cons;
if (unlikely(work_to_do < 0)) {
netbk_tx_err(netif, &txreq, idx);
continue;
}
}
如果请求是一个gso请求（说明有多个sg分片），那么调用netbk_get_extras，计算前端还有多少个类型为XEN_NETIF_EXTRA_FLAG_MORE的xen_netif_tx_request请求（一般来说也就一个而已，所以这段代码基本无用）
ret = netbk_count_requests(netif, &txreq, txfrags, work_to_do);
if (unlikely(ret < 0)) {
netbk_tx_err(netif, &txreq, idx - ret);
continue;
}
idx += ret;
调用netbk_count_requests，把所有NETTXF_more_data的分片连同最后一个分片全部拷贝到txfrags数组中。所以对于gso请求，所有的xen_netif_tx_request分片都被存到了txreq, txfrags数组中
if (unlikely(txreq.size < ETH_HLEN)) {
DPRINTK("Bad packet size: %d\n", txreq.size);
netbk_tx_err(netif, &txreq, idx);
continue;
}
/* No crossing a page as the payload mustn't fragment. */
if (unlikely((txreq.offset + txreq.size) > PAGE_SIZE)) {
DPRINTK("txreq.offset: %x, size: %u, end: %lu\n",
txreq.offset, txreq.size,
(txreq.offset &~PAGE_MASK) + txreq.size);
netbk_tx_err(netif, &txreq, idx);
continue;
}
txreq不能跨page, txreq长度也不能少于一个二层包头，不然都是非法请求
pending_idx = pending_ring;
data_len = (txreq.size > PKT_PROT_LEN &&
ret < MAX_SKB_FRAGS) ?
PKT_PROT_LEN : txreq.size;
skb = alloc_skb(data_len + NET_SKB_PAD + NET_IP_ALIGN,
GFP_ATOMIC | __GFP_NOWARN);
if (unlikely(skb == NULL)) {
DPRINTK("Can't allocate a skb in start_xmit.\n");
netbk_tx_err(netif, &txreq, idx);
break;
}
/* Packets passed to netif_rx() must have some headroom. */
skb_reserve(skb, NET_SKB_PAD + NET_IP_ALIGN);
if (extras.type) {
struct xen_netif_extra_info *gso;
gso = &extras;
if (netbk_set_skb_gso(skb, gso)) {
kfree_skb(skb);
netbk_tx_err(netif, &txreq, idx);
continue;
}
}
分配sk_buff，设置skb的gso配置
gnttab_set_map_op(mop, idx_to_kaddr(pending_idx),
GNTMAP_host_map | GNTMAP_readonly,
txreq.gref, netif->domid);
mop++;
设置gnttab_map_grant_ref的GR
memcpy(&pending_tx_info.req,
&txreq, sizeof(txreq));
pending_tx_info.netif = netif;
*((u16 *)skb->data) = pending_idx;
/* 这里很tricky，skb->data的前2个字节用来存储第一个page的pending_idx */
__skb_put(skb, data_len);
/* data_len最多为72个字节 */
skb_shinfo(skb)->nr_frags = ret;
if (data_len < txreq.size) {
skb_shinfo(skb)->nr_frags++;
skb_shinfo(skb)->frags.page =
(void *)(unsigned long)pending_idx;
} else {
/* Discriminate from any valid pending_idx value. */
skb_shinfo(skb)->frags.page = (void *)~0UL;
}
__skb_queue_tail(&tx_queue, skb);
设置skb，并把skb追加到tx_queue发送队列。注意由于第一个txreq对应的skb线性区域最多只能有72个字节，那么溢出的部分有可能会被设置到frag第一个分片里。
pending_cons++;
mop = netbk_get_requests(netif, skb, txfrags, mop);
netif->tx.req_cons = idx;
netif_schedule_work(netif);
if ((mop - tx_map_ops) >= ARRAY_SIZE(tx_map_ops))
break;
}
设置完txreq的mop之后，自增pending_cons，然后调用netbk_get_requests设置txfrags数组的mop。netbk_get_requests会依次设置好gnttab_mop_grant_ref，把xen_netif_tx_request拷贝到pending_tx_info数组对应的slot。注意这里skb_shared_info里的frags.page不是struct page*指针了，而是这个page在mmap_pages中的idx位置。
return mop - tx_map_ops;
}
static void net_tx_submit(void)
{
struct gnttab_map_grant_ref *mop;
struct sk_buff *skb;
mop = tx_map_ops;
while ((skb = __skb_dequeue(&tx_queue)) != NULL) {
struct xen_netif_tx_request *txp;
struct xen_netif *netif;
u16 pending_idx;
unsigned data_len;
pending_idx = *((u16 *)skb->data);
netif = pending_tx_info.netif;
txp = &pending_tx_info.req;
skb->data开头的两个字节用来暂存线性区域page的index，后续就没用了，这个值由net_tx_build_mops函数传入
这里通过pending_idx得到struct xen_netif, struct xen_netif_tx_request
/* Check the remap error code. */
if (unlikely(netbk_tx_check_mop(skb, &mop))) {
DPRINTK("netback grant failed.\n");
skb_shinfo(skb)->nr_frags = 0;
kfree_skb(skb);
continue;
}
data_len = skb->len;
memcpy(skb->data,
(void *)(idx_to_kaddr(pending_idx)|txp->offset),
data_len);
if (data_len < txp->size) {
/* Append the packet payload as a fragment. */
txp->offset += data_len;
txp->size -= data_len;
} else {
/* Schedule a response immediately. */
netif_idx_release(pending_idx);
}
把pending_idx的页的内容拷贝到skb->data开头的空间中，长度为data_len = skb->len
如果data_len < txp->size，此时data_len为72字节，txp->size大于72字节的部分由第一个frag指向。这种情况下，pending_idx所指向的页还不能释放
如果data_len >= txp->size，此时pending_idx所指向的页的内容已经完全拷贝到了skb线性区域了，此时可以调用netif_idx_release把第pending_idx个页加到dealloc_ring的dealloc_prod中
/*
* Old frontends do not assert data_validated but we
* can infer it from csum_blank so test both flags.
*/
if (txp->flags & (NETTXF_data_validated|NETTXF_csum_blank))
skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;
else
skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
netbk_fill_frags(skb);
前面已经设置好了skb->nr_frags，和每个skb_frag_t的page所在的pending_idx，netbk_fill_frags遍历skb->nr_frags，把pending_idx指向的页加到pending_inuse_head链表中，在基于xen_netif_tx_request，设置好每个skb_frag_t的page，offset, size
/*
* If the initial fragment was < PKT_PROT_LEN then
* pull through some bytes from the other fragments to
* increase the linear region to PKT_PROT_LEN bytes.
*/
if (skb_headlen(skb) < PKT_PROT_LEN && skb_is_nonlinear(skb)) {
int target = min_t(int, skb->len, PKT_PROT_LEN);
__pskb_pull_tail(skb, target - skb_headlen(skb));
}
保证skb线性区域的大小为PKT_PROT_LEN
skb->dev = netif->dev;
skb->protocol = eth_type_trans(skb, skb->dev);
netif->stats.rx_bytes += skb->len;
netif->stats.rx_packets++;
if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) {
if (skb_checksum_setup(skb)) {
DPRINTK("Can't setup checksum in net_tx_action\n");
kfree_skb(skb);
continue;
}
}
如果需要网卡进行校验和计算，那么调用skb_checksum_setup设置skb->csum_start, skb->csum_offset。这里没有对icmp设置任何校验和项，是个潜在的问题
if (unlikely(netbk_copy_skb_mode == NETBK_ALWAYS_COPY_SKB) &&
unlikely(skb_linearize(skb))) {
DPRINTK("Can't linearize skb in net_tx_action.\n");
kfree_skb(skb);
continue;
}
netif_rx(skb);
netif->dev->last_rx = jiffies;
}
if (netbk_copy_skb_mode == NETBK_DELAYED_COPY_SKB &&
!list_empty(&pending_inuse_head)) {
struct netbk_tx_pending_inuse *oldest;
oldest = list_entry(pending_inuse_head.next,
struct netbk_tx_pending_inuse, list);
mod_timer(&netbk_tx_pending_timer, oldest->alloc_time + HZ);
}
对还在pending_inuse_head的list中尚未处理完的请求，设置timer定时器，继续调用软中断来处理
}
不知道到这里为止，你们是否觉得事情已经做完了？是不是还缺点什么？bingo，当netif_rx处理完发送请求之后，那些mmap_pages里用过的页如何释放呢？dealloc_prod总得有人增加吧，答案就在这里SetPageForeign
for (i = 0; i < MAX_PENDING_REQS; i++) {
page = mmap_pages;
SetPageForeign(page, netif_page_release);
netif_set_page_index(page, i);
INIT_LIST_HEAD(&pending_inuse.list);
}
我们看到netback_init中，对mmap_pages的所有页都调用了SetPageForeign. foreign page是xen引入的一种页类型。netif_page_release是页的析构函数，就是说每次想要释放这个页，其实并没有释放而是调用了netif_page_release
static void netif_page_release(struct page *page, unsigned int order)
{
int idx = netif_page_index(page);
BUG_ON(order);
BUG_ON(idx < 0);
netif_idx_release(idx);
}
idx是该page在mmap_pages中的索引，netif_idx_release才是真正把这个page的pending_idx加到了dealloc_ring中，同时增加dealloc_prod的家伙
static void netif_idx_release(u16 pending_idx)
{
static DEFINE_SPINLOCK(_lock);
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&_lock, flags);
dealloc_ring = pending_idx;
/* Sync with net_tx_action_dealloc: insert idx /then/ incr producer. */
smp_wmb();
dealloc_prod++;
spin_unlock_irqrestore(&_lock, flags);
tasklet_schedule(&net_tx_tasklet);
}
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