和实验: 非NAPI模式数据包接收类似，这篇笔记使用vcard虚拟网卡来演示NAPI模式如何和协议栈配合完成数据包的接收，以便加深对这种接收模式的理解。

核心思想

vcard虚拟网卡使用NAPI模式和协议栈配合完成数据包接收；用户态使用AF_PACKET套接字编程接收来自vcard虚拟网卡的数据；

内核态核心代码

网络设备的定义需要包含struct napi_struct，所以不能再是简单的struct net_device了，定义如下:

// 网卡设备,NAPI模式必须提供一个napi_struct struct vcard_net_device { struct net_device *dev; struct napi_struct napi; }; struct vcard_net_device *vcard_dev = NULL;

在网络设备注册过程中，对napi结构进行初始化：

static int install_net_device(void) { int ret; struct net_device *dev; // 分配网卡对象 dev = alloc_netdev(sizeof(struct vcard_net_device), DEV_NAME, vcard_setup); if (!dev) { printk(TAG "alloc_netdev failed\n"); return -ENOMEM; } vcard_dev = netdev_priv(dev); vcard_dev->dev = dev; // 调用系统api对napi进行初始化，这里指定poll()回调为vcard_poll()，配额为5个数据包 netif_napi_add(dev, &vcard_dev->napi, vcard_poll, 5); // 将网卡注册到系统中 ret = register_netdev(dev); if (ret) { printk(TAG "register_netdev failed\n"); goto free; } return 0; free: free_netdev(dev); vcard_dev = NULL; return ret; } /** * netif_napi_add - initialize a napi context * @dev: network device * @napi: napi context * @poll: polling function * @weight: default weight * * netif_napi_add() must be used to initialize a napi context prior to calling * *any* of the other napi related functions. */ static inline void netif_napi_add(struct net_device *dev, struct napi_struct *napi, int (*poll)(struct napi_struct *, int), int weight) { INIT_LIST_HEAD(&napi->poll_list); napi->poll = poll; napi->weight = weight; // 这里设置了已调度标记，会影响后面的软终端激活过程 set_bit(NAPI_STATE_SCHED, &napi->state); }

初始化回调实现如下：

static int vcard_init(struct net_device *dev) { struct vcard_net_device *vdev = netdev_priv(dev); // 因为在netif_napi_add()会设置NAPI_STATE_SCHED标记， // 所以这里必须将该标记清除，否则napi_schedule_prep() // 会返回false，将无法启动接收软中断 clear_bit(NAPI_STATE_SCHED, &vdev->napi.state); return 0; }

和之前的实验类似，我们使用一个定时器来激活软中断：

static void resume_napi(unsigned long data) { // 由于是虚拟设备，也不涉及关中断(定时器自己只启动一次)， // 直接尝试激活软中断即可 if (likely(napi_schedule_prep(&vcard_dev->napi))) { __napi_schedule(&vcard_dev->napi); } }

vcard_poll()将会被net_rx_action()回调，在其中完成数据包的接收，实现如下：

int vcard_poll(struct napi_struct *napi, int budget) { struct vcard_net_device *vdev = container_of(napi, struct vcard_net_device, napi); struct sk_buff *skb; int rcv = 0; while (rcv < budget && (skb = populate_pkt()) != NULL) { ++rcv; netif_receive_skb(skb); } // 如果数据已经全部接收完毕，那么驱动需要负责将调度停止, // 这里要特别注意，必须是小于，不能是小于等于，因为等于 // 表示刚好接收了指定配额个数据包，这个返回值对于NAPI接收 // 框架是有特殊意义的 if (rcv < budget) napi_complete(&vdev->napi); // 返回实际读取的数据包个数 printk(TAG "vcard_poll ret=%d\n", rcv); return rcv; }

用户态代码实现

// 根据网卡名字查询到网络设备的索引 static int get_if_index(const char *name) { struct if_nameindex *ifni = if_nameindex(); int i; for (i = 0; (ifni[i].if_index != 0 || ifni[i].if_name != NULL); ++i) { if (!strcmp(ifni[i].if_name, name)) { break; } } if (ifni[i].if_index != 0 || ifni[i].if_name != NULL) { return ifni[i].if_index; } return 0; } int main(int argc, char *argv[]) { // RAW类型的IP报文 int fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP)); if (fd < 0) { printf("socket fail\n"); return -1; } int ifindex = get_if_index("vcard"); if (ifindex <= 0) { printf("get_if_index fail\n"); return -1; } // 绑定到指定的网络设备，这样只会接收到来自该数据的包 struct sockaddr_ll addr = { .sll_family = AF_PACKET, .sll_protocol = htons(ETH_P_IP), .sll_ifindex = ifindex, }; if (bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) != 0) { printf("bind fail\n"); return -1; } char buf[20]; while (1) { int ret = recv(fd, buf, 20, MSG_TRUNC); if (ret < 0) { printf("recv fail\n"); return -1; } else if (ret == 0) { continue; } else { buf[ret] = 0; printf("%s\n", buf); if (strcmp(buf, "ZZZZZ") == 0) { break; } } } return 0; }

实验结果

内核驱动的输出如下图所示： 26个字母，每次接收5个，所以分六次，前5次都是收到5包（配额就是5）然后结束进行下一次轮询，最后一次接收了1个数据包后，发现接收完毕，停止软中断调度。

用户态输出如下： 用户态可以准确的输出“AAAAA”~“ZZZZZ”的内容。

注意：

要先将vcard插入内核中；执行"ip link set dev vcard up"打开设备，否则用户态无法bind到该设备；用户态程序一定要以root权限执行；

完整的实验代码在这里。