Linux内核网络部分控制流

淡淡的烟草味﹌ 2022-03-21 08:44 221阅读 0赞

英文原文地址：[http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/networking/kernelflow\#Layer\_5:\_Session\_layer\_.28sockets\_and\_files.29][http_www.linuxfoundation.org_collaborate_workgroups_networking_kernelflow_Layer_5_Session_layer_.28sockets_and_files.29]

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这篇文章描述Linux内核网络部分的控制流（以及相关的数据缓冲），[上述图片][Link 1]是对网络控制流的一个概括性的总图。这篇文章是基于Linux 2.6.20内核的。

# 1.前言 #

大家可以参阅：[网络概述（Network Overview）][Network Overview]来了解内核中网络部分的各方面：路由、邻居发现协议(ND,Neighbour Discovery)、NAPI、过滤器等。  
网络数据是通过 sk\_buff 数据结构进行管理的，这最大限度地减少了网络各层之间拷贝数据的开销。学习内核网络部分需要我们对[ sk\_buff][sk_buff]结构体有所了解。  
Linux内核作为一个整体使用了大量的虚拟方法，这些方法都使用函数指针记录在数据结构中。在图中，我们将它们表示成钻石型（菱形）。这篇文章不会列出所有的这中虚拟方法，只是列出一些主要的。  
本文只讨论了以太网之上基于IPv4的TCP连接。当然，除此之外还有很多种不同的网络层连接方式，比如：隧道、桥接等。

# 2.发送路径 #

## 2.1 第五层：会议层（Socket和文件） ##

通过网络发送数据有三种系统调用：  
> write （写内存数据到一个文件描述符）  
> sendto （写内存数据到一个socket）

> sendmsg （写综合信息到一个socket）

这些系统调用最终都调用 \_\_sock\_sendmsg()方法，\_\_sock\_sendmsg()会先调用security\_sock\_sendmsg()检查权限然后使用socket的sendmsg方法把这些信息发送到下一层。

## 2.2 第四层：传输层（TCP） ##

[tcp\_sendmsg][tcp_sendmsg]：对于信息中的每个段  
1） 发现一个可用的 sk\_buff（如果有剩余空间的话使用最后一个，否则重新分配一个并追加到末尾）  
2） 使用 skb\_add\_data() 从用户空间拷贝数据到sk\_buff数据空间（内核空间，很可能是DMA空间）  
>> 对于每个socket，缓冲空间是预先分配的。假如缓冲区空间满了，通信会暂停：那些数据还是在用户空间，直到缓冲区可用（假如系统调用被设置成无阻塞，它会立刻返回一个错误）  
>> 分配的 sk\_buff 空间的大小等于MSS（最大段长）+头部长度（MSS在连接过程中可能会改变，或者被用户操作修改）  
>> 在这一层还有分段操作（写的时候则需要合并），在一个 sk\_buff 的数据最终都成为一个TCP段（这句解释的不清楚，原文为：Whatever ends up in the same sk\_buff will become a single TCP segment.）。尽管如此，这样的段也可能会在IP层被分片。  
3） TCP队列被激活，调用tcp\_transmit\_skb（）发送包（假如有许多活动的缓冲区，则会调用多次）。  
4） [ tcp\_transmit\_skb()][tcp_transmit_skb]创建TCP头部（分配 sk\_buff 时已经预留空间了）。它克隆skb信息为了将控制信息传递给网络层。通过socket地址家族的 queue\_xmit 方法接通网络层（inet\_connection\_sock->icsk\_af\_ops）。

## 2.3 第三层：网络层（IPv4) ##

1）[ ip\_queue\_xmit()][ip_queue_xmit] 会负责路由工作（如果需要的话），并创建 IPv4 报头。  
2） nf\_hook() 在一些地方被调用用来做网络过滤器（防火墙，NAT……），它会修改数据报或者直接丢弃。  
3） 路由会根据目标（dst\_entry）进行决策，这个目标地址是数据包中的接收方IP地址。dst\_entry 方法被调用来执行实际的输出。  
4） sk\_buff 会被传递到[ip\_output()][ip_output]（或者别的输出机制，比如隧道）。  
5） ip\_output() 需要做路由后的过滤工作，假如需要过滤则会在一个新的目标上重新输出，将数据报分段，并最终把它[发送到输出设备][Link 2]。  
>> 分片时会尽可能重用已有的片缓冲（这通常都是面临已经分片的IP包时需要做的）。片缓冲是特殊的 sk\_buff 对象，指向相同数据空间（不需要拷贝数据）。  
>> 假如没有片缓冲可用，会分配一个新的 sk\_buff 对象，然后拷贝数据。  
>> 因为TCP已经确保包肯定比MTU小，所以通常不需要再分片了。  
6） 特定设备的输出会通过一个方法调用实现输出数据到 dst\_entry 的邻居数据结构。这个方法通常是[dev\_queue\_xmit][dev_queue_xmit]。此外，还有一些对已知目标（hh\_cache）的包优化。

## 2.4 第二层：链路层（以太网） ##

内核中网络的链路层主要功能是调度那些即将被发送的数据包。所以 Linux 用了队列规则（Qdisc 结构体）的抽象。有关详细信息，参见[Linux高级路由和流量控制][Linux]的[第九章][Link 3]（带宽管理的排队规则），以及内核中 Documentation//networking/multiqueue.txt文档。  
  
  
[dev\_queue\_xmit][dev_queue_xmit] 使用qdisc->enqueue 将 sk\_buff 放到设备队列中。  
> 当需要时（设备不支持分散的数据），数据是线性放到sk\_buff结构中，这需要拷贝数据。  
> 没有Qdisc的设备直接调用 dev\_hard\_start\_xmit()。  
> 一些Qdisc调用策略已经存在，基本上用的最多的是 pfifo\_fast，它有三个优先级。  
  
  
设备的输出队列会立刻触发 qdisc\_run()， [ qdisc\_run()][qdisc_run]会调用[qdisc\_restart()][qdisc_restart]，qdisc\_restart()使用qdisc->dequeue方法从队列中取skb信息。具体的排队规则会延迟发送而不返回任何skb信息，然后建立一个 qdisc\_watchdog\_timer() 。当计时器到时间会调用[netif\_schedule()][netif_schedule]来启动传输。  
最终，sk\_buff被[dev\_hard\_start\_xmit()][dev_hard_start_xmit]发送并从Qdisc中移除。假如发送失败了，skb会被重新排到队列中，[netif\_schedule()][netif_schedule]会被调用重试。  
  
  
[netif\_schedule()][netif_schedule]引发一个软中断，软中断ksoftirqd引发 NET\_TX\_SOFTIRQ 运行，然后会[net\_tx\_action() ][net_tx_action_]运行。net\_tx\_action() 调用 qdisc\_run() 为每个设备安排一个活跃的队列。  
[dev\_hard\_start\_xmit()][dev_hard_start_xmit]为网络设备调用 hard\_start\_xmit virtual() 方法。但是，他会先调用 dev\_queue\_xmit\_init()，用来检查是否包处理函数已经注册了 ETH\_P\_ALL 协议（这对tcpdump有作用）。  
设备驱动的 hard\_start\_xmit 函数将生成一个或者多个命令给网络设备用来调度缓冲区的发送。一会后，网络设备会回复成功。这会触发 sk\_buff 的释放。假如 sk\_buff 是从中断上下文中释放，使用的是[dev\_kfree\_skb\_irq()][dev_kfree_skb_irq]方法。它通过将skb放在 softnet\_data完成队列中，延迟实际的释放直到下一个NET\_TX\_SOFTIRQ运行。这就避免了中断上下文的释放。

# 3.接收路径 #

## 3.1 第二层：链路层（以太层） ##

网络设备预先分配一些 sk\_buffs，具体多少是由设备设置。通常，这些 sk\_buffs 中的数据空间的地址被配置类似于DMA。设备中断处理函数会接受 sk\_buff 并处理它。在NAPI之前，这是通过 netif\_rx() 实现。在NAPI中，它包含以下两步：  
1) 在中断处理函数中，设备驱动仅仅调用 [ netif\_rx\_schedule()][netif_rx_schedule] 并从中断中返回。netif\_rx\_schedule() 将设备添加到sofnet\_data的poll 列表并开启 NET\_RX\_SOFTIRQ 软中断。  
2) ksoftirqd软中断运行 [ net\_rx\_action()][net_rx_action]，而 net\_rx\_action()会调用设备的 poll 方法。这个poll方法所作的是设备缓冲区管理，并为每一个sk\_buff 调用 netif\_receive\_skb() ，需要的话会分配新的 sk\_buff，最终调用netif\_rx\_complete()。  
  
  
[netif\_receive\_skb()][netif_receive_skb]会查找将 sk\_buff 传递到上层的方法：  
1) [ netpoll\_rx()][netpoll_rx] 被调用用来支持[ Netpoll API][Netpoll API]  
2) 为ETH\_P\_ALL协议调用包处理函数（同上面所述，ETH\_P\_ALL是为了tcpdump功能的实现）  
3) 为入口队列调用handle\_ing()  
4) 为桥接调用handle\_bridge()  
5) 为VLAN调用handle\_macvlan()  
6) 调用包处理函数注册包中对应的第三层协议  
包处理函数会调用deliver\_skb() ，[deliver\_skb()][deliver_skb]调用协议函数用来处理包。

## 3.2 第三层：网络层（IPv4，ARP） ##

###  3.2.1 ARP ###

ARP包由 [ arp\_rcv()][arp_rcv] 函数处理，arp\_rcv()处理ARP信息，并把它存到邻居缓存，如果需要的话它会发送一个回复。在这之后，会为这个回复分配一个新的sk\_buff（有着新的数据空间）。

###  3.2.2 IPv4 ###

IPv4数据包是由[ ip\_rcv()][ip_rcv]函数处理。它会分析头部，检查有效性，并发送一个ICMP回复或者错误信息。它还会使用[ ip\_route\_input()][ip_route_input]查询目标地址。目标地址的 input 函数会调用 sk\_buff。  
> 假如目标地址是多地址，那么[ip\_mr\_input()][ip_mr_input]方法被调用。这个包可能会调用ip\_mr\_forward() 推送，也可能直接使用ip\_local\_delivery()局部交付。  
> 假如目标地址是不同的，而我们有路由，那么[ip\_forward()][ip_forward] 方法会被调用，它直接调用邻居的输出方法。

> 假如这台机器就是包的目标地址，那么[ip\_local\_deliver()][ip_local_deliver] 方法会被调用，数据段在这被收集。

[ip\_local\_deliver()][ip_local_deliver] 在第一次连接时使用 raw\_local\_deliver() 交付一些原始套接字。然后他会调用数据报中的协议对应的第四层协议处理函数。即使当前有原始套接字存在第四层协议也会被调用。  
从始至终，xfrm4\_policy\_check 调用都包含在其中，用来支持IPSec。

## 3.3 第四层：传输层（TCP） ##

针对TCP的网络协议处理函数是[tcp\_v4\_rcv()][tcp_v4_rcv]。这里的大多数代码都是用来处理TCP协议的，比如：建立连接、进行流量控制等。  
一个TCP包包括对前面发送包的一个确认，它可能会触发后面的包的发送(tcp\_data\_snd\_check()) 或者确认 (tcp\_ack\_snd\_check())。  
将接到的数据包传递到上层在 tcp\_rcv\_established() 和 tcp\_data\_queue() 中实现。这些函数维持TCP连接的无序 out\_of\_order\_queue 以及套接字的接受队列 sk\_receive\_queue 和等待队列 sk\_async\_wait\_queue。假如一个用户进程已经在等待数据的接受，会立刻使用 skb\_copy\_datagram\_iovec() 将数据拷贝到用户空间。否则，这个 sk\_buff 会被追加到队列末尾并在之后被拷贝到用户空间。  
最后，接受函数会调用套接字的 sk\_data\_ready 方法用来通知数据可用，这会唤醒等待的进程。

## 3.4 第五层：会议层（Socket和文件） ##

有三个系统调用可以从网络接收数据：  
> read （从文件描述符获取存储数据）  
> recvfrom （从套接字获取存储数据）

> recvmsg （从套接字获取综合信息）

这三种系统调用最终都会调用 \_\_sock\_recvmsg()，\_\_sock\_recvmsg() 会使用 security\_sock\_recvmsg() 来检查权限然后使用套接字的 recvmsg 方法请求传递消息到下一层。这通常是使用sock\_common\_recvmsg()调用recvmsg方法完成的。

\_\_sock\_recvmsg() 要么使用 skb\_copy\_datagram\_iovec() 从套接字队列中拷贝数据，要么使用 sk\_wait\_data() 等待数据到达（使用这个方法会阻塞直到被第四层进程唤醒,上面有提到）。

作者注：翻译真的很费脑子，文中有翻译不到之处还望大家允以之处纠正。博客中添加链接也很费时间，拜托转载请注上转载地址

[http_www.linuxfoundation.org_collaborate_workgroups_networking_kernelflow_Layer_5_Session_layer_.28sockets_and_files.29]: http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/networking/kernelflow#Layer_5:_Session_layer_.28sockets_and_files.29
[1363230469_3836.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201303/14/1363230469_3836.png
[Link 1]: http://www.linuxfoundation.org/images/1/1c/Network_data_flow_through_kernel.png
[Network Overview]: http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/networking/network_overview
[sk_buff]: http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/networking/sk_buff
[tcp_sendmsg]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/tcp.c#L661
[tcp_transmit_skb]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/tcp_output.c#L389
[ip_queue_xmit]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ip_output.c#L284
[ip_output]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ip_output.c#L270
[Link 2]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ip_output.c#L164
[dev_queue_xmit]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/core/dev.c#L1421
[Linux]: http://lartc.org/howto/index.html
[Link 3]: http://lartc.org/howto/lartc.qdisc.html
[qdisc_run]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/include/net/pkt_sched.h#L223
[qdisc_restart]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/sched/sch_generic.c#L91
[netif_schedule]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/include/linux/netdevice.h#L635
[dev_hard_start_xmit]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/core/dev.c#L1343
[net_tx_action_]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/core/dev.c#L1644
[dev_kfree_skb_irq]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/include/linux/netdevice.h#L679
[netif_rx_schedule]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/include/linux/netdevice.h#L858
[net_rx_action]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/core/dev.c#L1904
[netif_receive_skb]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/core/dev.c#L1764
[netpoll_rx]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/include/linux/netpoll.h#L49
[Netpoll API]: http://people.redhat.com/~jmoyer/netpoll-linux_kongress-2005.pdf
[deliver_skb]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/core/dev.c#L1690
[arp_rcv]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/arp.c#L930
[ip_rcv]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ip_input.c#L373
[ip_route_input]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/route.c#L2090
[ip_mr_input]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ipmr.c#L1338
[ip_forward]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ip_forward.c#L56
[ip_local_deliver]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/ip_input.c#L263
[tcp_v4_rcv]: http://lxr.linux.no/linux+v2.6.20/net/ipv4/tcp_ipv4.c#L1611