内核网络协议栈测试：pktgen与netperf压测方法 - 第2节

2.1 网络分层模型：OSI 与 TCP/IP

网络协议栈的核心设计思想是分层。每一层只负责特定的通信功能，层与层之间通过标准接口交互。理解分层模型是分析内核网络性能瓶颈的前提。

2.1.1 OSI 七层模型 vs. TCP/IP 四层模型

2.1.2 数据封装与解封装流程

发送数据时，每层添加自己的头部；接收数据时，每层剥离对应的头部。这个过程直接影响 CPU 开销和内存带宽。

2.2 内核网络子系统架构

Linux 网络子系统是一个庞大的模块化体系，从系统调用到底层驱动，主要分为以下核心路径：

2.3 sk_buff：网络数据的核心载体

sk_buff（Socket Buffer）是内核网络子系统中最重要的数据结构。每一个收发的数据包在内核中都以 sk_buff 实例表示。它通过指针和预分配缓冲区实现零拷贝数据操作。

2.3.1 sk_buff 结构概览

struct sk_buff {
    /* 链表管理 */
    struct sk_buff      *next;
    struct sk_buff      *prev;
    struct sk_buff_head *list;

    /* 网络层信息 */
    struct net_device   *dev;       // 关联的网络设备
    struct sock         *sk;        // 关联的 socket

    /* 数据指针 */
    unsigned char       *head;      // 缓冲区起始
    unsigned char       *data;      // 协议头起始
    unsigned char       *tail;      // 数据结束
    unsigned char       *end;       // 缓冲区结束

    /* 长度与校验 */
    __u32               len;        // 实际数据长度
    __u32               truesize;   // 总分配大小（含 sk_buff 自身）
    __u32               data_len;   // 非线性区数据长度（frag 列表）

    /* 协议标识 */
    __be16              protocol;   // L3 协议类型 (ETH_P_IP, ETH_P_ARP)
    __u16               mac_header; // MAC 头偏移
    __u16               network_header; // 网络头偏移
    __u16               transport_header; // 传输头偏移
};

2.3.2 数据指针与头部操作

sk_buff 通过 head、data、tail、end 四个指针管理缓冲区。协议栈在封装和解封装时，只需移动 data 和 tail 指针，无需拷贝数据。

2.4 NAPI 机制：高性能收包引擎

NAPI（New API）是 Linux 内核为应对高速网络而设计的收包机制。它结合了中断和轮询两种模式，在低负载时使用中断降低延迟，在高负载时切换为轮询减少中断风暴。

2.4.1 NAPI 工作流程

1. 中断触发：网卡收到数据包，触发硬件中断。
2. 关闭中断：中断处理程序关闭该网卡的中断，将设备加入 NAPI 轮询列表。
3. 软中断调度：触发 NET_RX_SOFTIRQ 软中断，唤醒 ksoftirqd 线程。
4. 轮询收包：NAPI 轮询函数从网卡 RX 队列批量读取数据包，送入协议栈。
5. 退出条件：当收包数量达到预算（budget）或队列为空时，重新开启中断，退出轮询。

2.4.2 NAPI 关键参数

2.4.3 NAPI 与 GRO 协同

GRO（Generic Receive Offload）在 NAPI 轮询过程中将多个小包合并为一个大包，减少协议栈处理次数。合并后的 sk_buff 通过 skb_shinfo(skb)->frag_list 链接原始包。

// NAPI poll 函数典型流程（伪代码）
int napi_poll(struct napi_struct *napi, int budget) {
    int work_done = 0;
    struct sk_buff *skb;

    while (work_done < budget) {
        skb = netdev->rx_queue->dequeue();
        if (!skb) break;

        // GRO 合并尝试
        if (gro_receive(napi, skb)) {
            // 包被合并，不计数
            continue;
        }

        // 送入协议栈
        netif_receive_skb(skb);
        work_done++;
    }

    // 判断是否退出轮询
    if (work_done < budget) {
        napi_complete(napi);
        netdev->enable_irq();
    }

    return work_done;
}