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Linux 內核網路協議棧：二層（鏈路層）數據包發送流程深度解析

編輯：Java 綜合教學

核心入口：dev_queue_xmit()

所有上層協議（IP、ARP 等）最終都呼叫 dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb) 將封裝好幀交給驅動。關鍵職責：

GSO 分片處理（netif_needs_gso）
非線性 skb 線性化（__skb_linearize）
校驗和計算（skb_checksum_help）
選擇發送隊列（dev_pick_tx，多隊列網卡）
進入 Qdisc（排隊規則）或直接驅動發送

Qdisc（排隊規則）兩條路徑


__dev_xmit_skb()
├─ 若 Qdisc 可繞過（TCQ_F_CAN_BYPASS）且隊列空 → sch_direct_xmit() 直發
└─ 否則 → qdisc_enqueue_root() 入隊 → qdisc_run() 排程發送

發送軟中斷 (NET_TX_SOFTIRQ) 角色

dev_queue_xmit：封裝處理 + 首次發送嘗試
net_tx_action（軟中斷）：
• 發送積壓/失敗重傳的 skb
• 釋放已發送完成的 skb（dev_kfree_skb_irq 放入 completion_queue）

關鍵函數調用鏈

函數	核心動作
qdisc_run()	設定 `__QDISC_STATE_RUNNING`，呼叫 `__qdisc_run`
__qdisc_run()	循環 `qdisc_restart`，需讓 CPU 或時間片用盡則 `__netif_schedule` 重排
qdisc_restart()	`dequeue_skb` 取幀 → `sch_direct_xmit` 發送
sch_direct_xmit()	釋放 qdisc lock → 取 `netif_tx_lock` → `dev_hard_start_xmit`
dev_hard_start_xmit()	呼叫驅動 `ndo_start_xmit`，更新隊列時間戳

三把鎖的協作關係

qdisc_lock(q)：保護 Qdisc 內部 skb 隊列
__QDISC_STATE_RUNNING：位元鎖，確保單 CPU 執行 Qdisc
netif_tx_lock (txq->_xmit_lock)：保護驅動發送函數獨佔執行

**規則**：持有 qdisc_lock 時不可持有 netif_tx_lock，反之亦然，sch_direct_xmit 中先釋放 qdisc_lock 再取 netif_tx_lock。

環回裝置特例

static netdev_tx_t loopback_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev) {
    skb_orphan(skb);
    skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
    netif_rx(skb);  // 直接注入接收路徑，無真實發送
    return NETDEV_TX_OK;
}

原始套接字監聽發送包

dev_queue_xmit_nit() 將克隆的 skb 傳給 ptype_all 鏈表上的 ETH_P_ALL 協議處理器，實現 tcpdump/Wireshark 抓包。

總結圖解


上層協議
    │
    ▼
dev_queue_xmit() ── GSO/線性化/校驗和
    │
    ▼
dev_pick_tx() 選隊列
    │
    ▼
Qdisc (pfifo_fq / mq / noqueue)
    │
    ├─ 可繞過且空 ──▶ sch_direct_xmit() ──▶ 驅動 ndo_start_xmit()
    │
    └─ 入隊 ──▶ qdisc_run() ──▶ 軟中斷 net_tx_action ──▶ qdisc_restart() 循環發送

掌握二層發送路徑、Qdisc 與軟中斷分工、三把鎖協作，是排查網卡驅動效能、丟包、延遲抖動的關鍵基石。