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为什么说网卡是互联网世界的基石？通俗解释网卡收发包原理

网卡

前言
说到互联网，大家很容易想到的有 CPU、服务器、操作系统、应用程序（App）、小程序、网页（html）等 。然而，还有一个要素是很容易被忽略的，却是最重要的，那就是网卡 。如果没有网卡，那么所有的主机将会是孤立的，没法实现相互间通信，也就不存在互联网了 。两台主机之间要实现通信，互相收发报文，最底层的基础设施，除了传输链路（光纤、网线等），就是安装在主机上的网卡了，它将主机上应用软件产生的数据打包，然后从物理链路上发送出去，同理，它还可以从物理链路上接收报文，送往主机上的应用程序 。
在这篇文章中，你将会了解到什么是中断，什么是 PCIe，什么是 uio，什么是 igb_uio，什么是 pmd，什么是 DPDK 等一系列与网卡相关的概念及网卡工作的原理 。

为什么说网卡是互联网世界的基石？通俗解释网卡收发包原理

文章插图
 
物理网卡
这里以 Intel 网卡为例，有 10G、25G、100G 等，表示最大的传输速度，单位 Gbit/s 。网卡可以有一个端口，也可以有多个端口 。
网卡驱动知多少
假如我们从 Intel 买回来一张网卡，是不是直接插到电脑上，就可以用呢？答案是否定的 。从一张物理网卡到真正能够实现收发报文，中间可是有一堆工作要做的 。
  1. PCIe
PCIe 是一种高速串行点对点双通道高带宽、计算机扩展总线标准，现在已经发展到第四代了 。简单理解，就是计算机主板上用来插网卡的槽位 。当网卡插入主板上的槽位时，一块网卡上的每个端口都对应了一个 PCIe ID，这是网卡端口的物理身份标识 。这里提一句，PCI 是 PCIe 的上一个形态 。
  1. 中断
首先，你要明确一点：网卡收发报通过中断实现 。什么是中断呢？
所谓中断，就是外部设备向处理器发起的请求事件，但这还不够本质 。更本质的理解是处理器对外开放的实时受控接口 。中断绝对不是硬件代替软件去轮询，而是硬件的结构决定了，当某个管脚电平变低（或者变高）的时候，CPU 就会被打断，并从特定地址开始执行 。比如，当 CPU 的 RESET 被拉低的时候一定会复位并从某个特定地址重新开始执行，这是由硬件的结构决定的 。
  1. uio
uio，是一个内核框架（操作系统提供的内核模块），作用就是支持用户空间的 I/O 技术 。而大家所熟知的 DPDK 开源组件就是实现用户态 I/O 技术，它依赖内核空间的 uio 框架 。
为什么说网卡是互联网世界的基石？通俗解释网卡收发包原理

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  1. pmd
pmd（poll mode driver，轮询模式驱动）是 DPDK 在用户态实现的网卡驱动程序，准确来说，它应该是个接口，它可以把 Intel 各种网卡的真正驱动程序加载到用户态 。
pmd 有哪些功能呢？比如对网卡硬件进行一些配置，例如设置网卡接收缓冲区，发送缓冲区的大小 。所谓对网卡进行配置，也就是对网卡寄存器进行配置 。每个网卡都有自己的配置空间，对应了很多寄存器，每种寄存器各自负责不同的功能 。比如接收控制寄存器，用于对网卡收发包的一些设置； 中断寄存器，用于设置允许哪里产生中断事件，例如链路中断 。
  1. igb_uio
igb_uio（也就是 DPDK 提供的 igb_uio.ko），是 DPDK 用于与 uio 交互的内核模块，通过 igb_uio 来 bind 指定的 PCI 网卡设备给到用户态的 pmd 使用 。igb_uio 借助 uio 技术来截获中断，并重设中断回调行为，从而绕过内核协议栈后续的处理流程 。并且 igb_uio 会在内核初始化的过程中将网卡硬件寄存器映射到用户态 。
  1. i40e、ixgbe 等
i40e 驱动对应 Intel x700 系列网卡，这是由 Intel 提供的，是网卡真正的驱动，需要加载 i40e.ko 到内核，linux 操作系统才能识别这张物理网卡 。而 ixgbe 是 Intel 82599 系列网卡驱动 。
  1. 虚拟网卡
这个概念是伴随着 vm（虚拟机）的产生而出现的，就是虚拟机上的网卡 。我们可以将它和 host（物理机）上的物理网卡进行绑定 。
总结
我们拿到 Intel 的一张网卡时，一般加载其对应的网卡驱动就可以使用了，比如 i40e、ixgbe 等 。但如果我们要用 DPDK 实现用户态网卡收发包，就需要下载 Intel 等开源代码 - DPDK，内核需要加载 igb_uio，用户态 pmd 驱动框架需要加载 librte_i40e.so 等 。
Linux 系统中 DPDK 编程常用命令
ifconfig/sys/config/net-scripts/ 下的文件可以用来配置 eth 口的 ip 地址等ip link showlspci // 有很多可选参数lsmodsu modprobe uiosu insmod igb_uiodpdk主目录/usrtools/ 下的 dpdk-devbind.py、dpdk-setup.sh 等自带脚本linux 用户空间和内核空间通信通过 sysfs 实现


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