TX path

전체 흐름

network stack은 sk_buff가 driver, NAPI, protocol stack, socket, qdisc 사이를 이동하는 data-plane이다. throughput만 보면 안 되고, drop attribution과 CPU affinity를 같이 봐야 한다.

핵심 확인 사항

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

오류 처리 확인

정상 경로와 실패 경로를 함께 확인한다. 성공 경로뿐 아니라 오류 복구, hotplug, 해제 과정에서 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

그림 1. TX path 이 kernel 안에서 놓이는 위치

NIC / driverRX ring, TX completion, IRQ

→

NAPI / softirqpoll budget, GRO, backlog

→

protocol stackL2/L3/L4 dispatch

→

socket / qdiscuserspace queue and TX policy

왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 각 코드 조각이 어느 단계에 해당하는지 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일

원본 코드:

Linux 6.18.37 LTS: net/core/dev.c
Linux 6.18.37 LTS: net/sched/sch_generic.c
Linux 6.18.37 LTS: net/ipv4/ip_output.c

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

GitHub 원본:

net/core/dev.c net/sched/sch_generic.c net/ipv4/ip_output.c

대표 코드

__dev_queue_xmit

원본 코드: net/core/dev.c, 4252행 부근

	skb_set_queue_mapping(skb, queue_index);
	return netdev_get_tx_queue(dev, queue_index);
}

/**
 * __dev_queue_xmit() - transmit a buffer
 * @skb:	buffer to transmit
 * @sb_dev:	suboordinate device used for L2 forwarding offload
 *
 * Queue a buffer for transmission to a network device. The caller must
 * have set the device and priority and built the buffer before calling
 * this function. The function can be called from an interrupt.
 *
 * When calling this method, interrupts MUST be enabled. This is because
 * the BH enable code must have IRQs enabled so that it will not deadlock.
 *
 * Regardless of the return value, the skb is consumed, so it is currently
 * difficult to retry a send to this method. (You can bump the ref count
 * before sending to hold a reference for retry if you are careful.)
 *
 * Return:
 * * 0				- buffer successfully transmitted
 * * positive qdisc return code	- NET_XMIT_DROP etc.
 * * negative errno		- other errors
 */
int __dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *sb_dev)
{
	struct net_device *dev = skb->dev;
	struct netdev_queue *txq = NULL;
	struct Qdisc *q;
	int rc = -ENOMEM;
	bool again = false;

	skb_reset_mac_header(skb);
	skb_assert_len(skb);

	if (unlikely(skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_SCHED_TSTAMP))
		__skb_tstamp_tx(skb, NULL, NULL, skb->sk, SCM_TSTAMP_SCHED);

	/* Disable soft irqs for various locks below. Also

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

dev_hard_start_xmit

원본 코드: net/core/dev.c, 3574행 부근

	trace_net_dev_xmit(skb, rc, dev, len);

	return rc;
}

struct sk_buff *dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *first, struct net_device *dev,
				    struct netdev_queue *txq, int *ret)
{
	struct sk_buff *skb = first;
	int rc = NETDEV_TX_OK;

	while (skb) {
		struct sk_buff *next = skb->next;

		skb_mark_not_on_list(skb);
		rc = xmit_one(skb, dev, txq, next != NULL);
		if (unlikely(!dev_xmit_complete(rc))) {
			skb->next = next;
			goto out;
		}

		skb = next;
		if (netif_tx_queue_stopped(txq) && skb) {
			rc = NETDEV_TX_BUSY;
			break;
		}
	}

out:
	*ret = rc;
	return skb;
}

static struct sk_buff *validate_xmit_vlan(struct sk_buff *skb,
					  netdev_features_t features)
{
	if (skb_vlan_tag_present(skb) &&
	    !vlan_hw_offload_capable(features, skb->vlan_proto))
		skb = __vlan_hwaccel_push_inside(skb);
	return skb;

함수별 분석

socket send가 qdisc, netdev queue, driver ndo_start_xmit을 지나 NIC transmit ring으로 내려가는 경로다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. TX path 함수 체인과 관찰 지점

entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정

→

__dev_queue_xmitskb 생성

→

dev_hard_start_xmitpolicy queue 진입

→

observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. `__dev_queue_xmit`

__dev_queue_xmit 주변에서는 sk_buff를 중심으로 본다. 이 필드는 TX metadata and payload 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 socket write 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 skb 생성을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: dev_queue_xmit return을 packet delivery로 오해함

2. `dev_hard_start_xmit`

dev_hard_start_xmit 주변에서는 qdisc를 중심으로 본다. 이 필드는 queueing policy 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 qdisc enqueue 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 policy queue 진입을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: qdisc backlog와 driver ring full을 구분하지 못함

함수	입력	상태 변경	검증 질문
__dev_queue_xmit	sk_buff, caller context, subsystem 전제 조건	socket write: skb 생성	dev_queue_xmit return을 packet delivery로 오해함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
dev_hard_start_xmit	qdisc, caller context, subsystem 전제 조건	qdisc enqueue: policy queue 진입	qdisc backlog와 driver ring full을 구분하지 못함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. TX path 핵심 필드 연결

sk_buffTX metadata and payload

→

qdiscqueueing policy

→

netdev_queueper-queue stop/wake state

→

BQLdriver queue byte limit

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드	읽는 법	확인
sk_buff	TX metadata and payload	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
qdisc	queueing policy	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
netdev_queue	per-queue stop/wake state	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
BQL	driver queue byte limit	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. TX path 실행 단계

socket writeskb 생성

→

qdisc enqueuepolicy queue 진입

→

dequeue/xmitdriver callback 호출

→

completionTX resources free

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태	의미	진입 조건	깨지는 지점
socket write	skb 생성	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
qdisc enqueue	policy queue 진입	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
dequeue/xmit	driver callback 호출	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
completion	TX resources free	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때

TX path 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

TX path의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

오류 복구

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

dev_queue_xmit return을 packet delivery로 오해함

주의

qdisc backlog와 driver ring full을 구분하지 못함

주의

TX completion을 RX interrupt와 같은 의미로 봄

계측과 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구	보는 것	해석
net_dev_queue	TX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
net_dev_xmit	TX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
tc -s qdisc	TX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
ethtool -S	TX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인

기본 추적 경로:

# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

추가 확인 사항

TX path 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
TX path 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
실험으로 확인한다면 'dev_queue_xmit return을 packet delivery로 오해함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
실험으로 확인한다면 'qdisc backlog와 driver ring full을 구분하지 못함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?