Network · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

TX path

기존 코드 발췌를 읽으실 때

기존 dev_hard_start_xmit 대표 발췌가 xmit_one의 추적 호출 부근에서 시작해 함수 제목과 경계가 맞지 않습니다. 기존 글은 보존했으며, 새 개념 설명에는 버전과 범위를 대조한 원문을 실었습니다.

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 위치와 링크를 맞춘 원본 코드 분석 노트입니다. qdisc, dev_queue_xmit, driver hard_start_xmit.

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

함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.

오류 처리 확인

정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 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

왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 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: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.

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;

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.

함수별 분석

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

원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.

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 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.

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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 policy queue 진입을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: qdisc backlog와 driver ring full을 구분하지 못함

함수입력상태 변경확인할 사항
__dev_queue_xmitsk_buff, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건socket write: skb 생성dev_queue_xmit return을 packet delivery로 오해함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
dev_hard_start_xmitqdisc, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건qdisc enqueue: policy queue 진입qdisc backlog와 driver ring full을 구분하지 못함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.

그림 3. TX path 핵심 필드 연결
sk_buffTX metadata and payload
→
qdiscqueueing policy
→
netdev_queueper-queue stop/wake state
→
BQLdriver queue byte limit

각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.

어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.

필드읽는 법
sk_buffTX metadata and payload
qdiscqueueing policy
netdev_queueper-queue stop/wake state
BQLdriver queue byte limit

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.

상태의미진입 조건깨지는 지점
socket writeskb 생성앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
qdisc enqueuepolicy queue 진입앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
dequeue/xmitdriver callback 호출앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
completionTX resources free앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 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

다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.

오류 복구

중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.

bring-up symptom

임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.

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

로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.

로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.

도구보는 것
net_dev_queueTX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
net_dev_xmitTX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
tc -s qdiscTX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
ethtool -STX path 실행이 어느 단계에서 멈추는지 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?