Linux内核之网络协议栈以及套接字sk_buff分析

一、Linux 内核网络协议栈构架

网络协议在传输数据的过程中，数据要进入内核的网络协议栈，通过协议族（TCP、UDP等），每一层之间当作比特流传输到网络中，而且，每一层收到数据都会封装相应的协议首部。比如TCP协议传给IP协议时，称为TCP报文段或者TCP segment；IP协议传给链路层时，称为数据单元或IP数据报；最后通过以太网传输比特流（帧 frame）。

分用：当目标主机收到以太网数据帧时，数据信息开始从内核网络协议栈中由底向上进行操作，同时要去掉各个层次协议上的报文首部，每一层协议都会检查报文首部当中的协议标识（比如IP有IP首部、TCP有TCP首部），确保接收数据信息能上上层协议。

物理层：连接的硬件设备，比如网卡。

链路层：针对物理层进行访问的接口，比如驱动程序。

网络层：负责将网络数据包传输到正确的位置，比如IP协议、ARP协议。

传输层：为应用程序之间提供点到点的连接，比如UDP、TCP协议。

应用层：应用程序。

二、网络协议栈常见的数据结构

2.1、TCP/IP 参考模型及 ISO/OSI 参考模型

2.2、套接字 sk_buff 分析

在内核分析（收到）网络分组时，底层协议的数据将传递到更高的层。发送数据时顺序相反，各种协议产生的数据（首部和净荷）依次向更低的层传递，直至最终发送。

这些操作的速度对网络子系统的性能有决定性的影响，因此内核使用一种特殊的结构，称为套接字缓冲区（socket buffer），具体源码分析如下（include/linux/skbuff.h）：

struct sk_buff {
    
    
	union {
    
    
		struct {
    
    
			/* These two members must be first. 双向链表存储*/
			struct sk_buff		*next;
			struct sk_buff		*prev;

			union {
    
    
				struct net_device	*dev;//与SKB相关的网络接口设备（NIC，网络接口卡）
				/* Some protocols might use this space to store information,
				 * while device pointer would be NULL.
				 * UDP receive path is one user.
				 */
				unsigned long		dev_scratch;
			};
		};
		struct rb_node		rbnode; /* used in netem, ip4 defrag, and tcp stack */
		struct list_head	list;
	};

	union {
    
    
		struct sock		*sk;
		int			ip_defrag_offset;
	};

	union {
    
    //存储时间戳相对参考时间的偏移量
		ktime_t		tstamp;
		u64		skb_mstamp_ns; /* earliest departure time */
	};
	/*
	 * This is the control buffer. It is free to use for every
	 * layer. Please put your private variables there. If you
	 * want to keep them across layers you have to do a skb_clone()
	 * first. This is owned by whoever has the skb queued ATM.
	 */
	char			cb[48] __aligned(8);//重点，控制缓冲区，用于存储专用信息

	union {
    
    
		struct {
    
    
			unsigned long	_skb_refdst;//可能指向目标对象的引用计数
			void		(*destructor)(struct sk_buff *skb);
		};
		struct list_head	tcp_tsorted_anchor;
	};

#if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK) || defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MODULE)
	unsigned long		 _nfct;//连接跟踪数据信息，主要让Linux内核能够跟踪所有的网络连接和传话操作
#endif
	unsigned int		len,//数据包总字节数
				data_len;//非线性数据长度，有分页数据
	__u16			mac_len,//MAC数据包头长度
				hdr_len;

	/* Following fields are _not_ copied in __copy_skb_header()
	 * Note that queue_mapping is here mostly to fill a hole.
	 */
	__u16			queue_mapping;

/* if you move cloned around you also must adapt those constants */
#ifdef __BIG_ENDIAN_BITFIELD
#define CLONED_MASK	(1 << 7)
#else
#define CLONED_MASK	1
#endif
#define CLONED_OFFSET()		offsetof(struct sk_buff, __cloned_offset)

	/* private: */
	__u8			__cloned_offset[0];
	/* public: */
	__u8			cloned:1,//使用_skb_clone()克隆数据时，被克隆和克隆得到的数据包中，这个字段设为1
				nohdr:1,//只考虑有效负载，禁止修改包头
				fclone:2,
				peeked:1,
				head_frag:1,
				pfmemalloc:1;
#ifdef CONFIG_SKB_EXTENSIONS
	__u8			active_extensions;
#endif
	/* fields enclosed in headers_start/headers_end are copied
	 * using a single memcpy() in __copy_skb_header()
	 */
	/* private: */
	__u32			headers_start[0];
	/* public: */

/* if you move pkt_type around you also must adapt those constants */
#ifdef __BIG_ENDIAN_BITFIELD
#define PKT_TYPE_MAX	(7 << 5)
#else
#define PKT_TYPE_MAX	7
#endif
#define PKT_TYPE_OFFSET()	offsetof(struct sk_buff, __pkt_type_offset)

	/* private: */
	__u8			__pkt_type_offset[0];//广播、组播
	/* public: */
	__u8			pkt_type:3;
	__u8			ignore_df:1;
	__u8			nf_trace:1;
	__u8			ip_summed:2;
	__u8			ooo_okay:1;

	__u8			l4_hash:1;
	__u8			sw_hash:1;
	__u8			wifi_acked_valid:1;
	__u8			wifi_acked:1;
	__u8			no_fcs:1;
	/* Indicates the inner headers are valid in the skbuff. 指向SKB是用于封装的*/
	__u8			encapsulation:1;
	__u8			encap_hdr_csum:1;
	__u8			csum_valid:1;

#ifdef __BIG_ENDIAN_BITFIELD
#define PKT_VLAN_PRESENT_BIT	7
#else
#define PKT_VLAN_PRESENT_BIT	0
#endif
#define PKT_VLAN_PRESENT_OFFSET()	offsetof(struct sk_buff, __pkt_vlan_present_offset)
	/* private: */
	__u8			__pkt_vlan_present_offset[0];
	/* public: */
	__u8			vlan_present:1;
	__u8			csum_complete_sw:1;
	__u8			csum_level:2;
	__u8			csum_not_inet:1;
	__u8			dst_pending_confirm:1;
#ifdef CONFIG_IPV6_NDISC_NODETYPE
	__u8			ndisc_nodetype:2;
#endif

	__u8			ipvs_property:1;
	__u8			inner_protocol_type:1;
	__u8			remcsum_offload:1;
#ifdef CONFIG_NET_SWITCHDEV
	__u8			offload_fwd_mark:1;
	__u8			offload_l3_fwd_mark:1;
#endif
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
	__u8			tc_skip_classify:1;
	__u8			tc_at_ingress:1;
#endif
#ifdef CONFIG_NET_REDIRECT
	__u8			redirected:1;
	__u8			from_ingress:1;
#endif
#ifdef CONFIG_TLS_DEVICE
	__u8			decrypted:1;
#endif

#ifdef CONFIG_NET_SCHED
	__u16			tc_index;	/* traffic control index */
#endif

	union {
    
    
		__wsum		csum;
		struct {
    
    
			__u16	csum_start;
			__u16	csum_offset;
		};
	};
	__u32			priority;//数据包排队优先级
	int			skb_iif;//数据包到达的网络设备
	__u32			hash;
	__be16			vlan_proto;//使用vlan协议
	__u16			vlan_tci;//标志控制信息（ID和优先级组成）
#if defined(CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL) || defined(CONFIG_XPS)
	union {
    
    
		unsigned int	napi_id;
		unsigned int	sender_cpu;
	};
#endif
#ifdef CONFIG_NETWORK_SECMARK
	__u32		secmark;//安全标记，该操作由iptables secmask目标设置
#endif

	union {
    
    
		__u32		mark;//通过此标识来标识SKB，在iptables使用MARK目标和mangle表来设置mark字段
		__u32		reserved_tailroom;
	};

	union {
    
    
		__be16		inner_protocol;
		__u8		inner_ipproto;
	};

	__u16			inner_transport_header;
	__u16			inner_network_header;
	__u16			inner_mac_header;

	__be16			protocol;//协议字段
	__u16			transport_header;
	__u16			network_header;
	__u16			mac_header;

	/* private: */
	__u32			headers_end[0];
	/* public: */

	/* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details.  */
	sk_buff_data_t		tail;//数据尾
	sk_buff_data_t		end;//缓冲区尾部
	unsigned char		*head,//缓冲区头部
				*data;//数据
	unsigned int		truesize;//为SKB分配的空间
	refcount_t		users;

#ifdef CONFIG_SKB_EXTENSIONS
	/* only useable after checking ->active_extensions != 0 */
	struct skb_ext		*extensions;
#endif
};

2.3、套接字缓冲区管理数据

套接字缓冲区的基本思想是，通过操作指针来增删协议首部。

• head 和 end 指向数据在内存中的起始和结束位置。
• data 和 tail 指向协议数据区域的起始和结束位置。
• mac_header 指向 MAC 协议首部的起始。
• network_header 和 transport_header 分别指向网络层和传输层协议首部的起始。

在32 位的系统上，数据类型 sk_buff_data_t 用来表示各种类型为简单指针的数据，具体结构 sk_buff_data_t 如下所示（include/linux/skbuff.h）：

#if BITS_PER_LONG > 32
#define NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET 1
#endif

#ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
typedef unsigned int sk_buff_data_t;
#else
typedef unsigned char *sk_buff_data_t;
#endif

从套接字缓冲区获取 TCP 首部（include/linux/tcp.h）：

static inline struct tcphdr *tcp_hdr(const struct sk_buff *skb)
{
    
    
	return (struct tcphdr *)skb_transport_header(skb);
}

从套接字缓冲区获取 UDP 首部（include/linux/udp.h）：

static inline struct udphdr *udp_hdr(const struct sk_buff *skb)
{
    
    
	return (struct udphdr *)skb_transport_header(skb);
}

2.4、Linux 内核提供套接字缓冲区标准 API 函数

（include/linux/skbuff.h）

/**
 * alloc_skb - allocate a network buffer
 * @size: size to allocate
 * @priority: allocation mask
 *
 * This function is a convenient wrapper around __alloc_skb().
 */
static inline struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size,
					gfp_t priority)
{
    
    
	return __alloc_skb(size, priority, 0, NUMA_NO_NODE);
}

static inline struct sk_buff *__pskb_copy(struct sk_buff *skb, int headroom,
					  gfp_t gfp_mask)
{
    
    
	return __pskb_copy_fclone(skb, headroom, gfp_mask, false);
}

/**
 * alloc_skb_fclone - allocate a network buffer from fclone cache
 * @size: size to allocate
 * @priority: allocation mask
 *
 * This function is a convenient wrapper around __alloc_skb().
 */
static inline struct sk_buff *alloc_skb_fclone(unsigned int size,
					       gfp_t priority)
{
    
    
	return __alloc_skb(size, priority, SKB_ALLOC_FCLONE, NUMA_NO_NODE);
}

struct sk_buff *skb_morph(struct sk_buff *dst, struct sk_buff *src);
void skb_headers_offset_update(struct sk_buff *skb, int off);
int skb_copy_ubufs(struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask);
struct sk_buff *skb_clone(struct sk_buff *skb, gfp_t priority);
void skb_copy_header(struct sk_buff *new, const struct sk_buff *old);
struct sk_buff *skb_copy(const struct sk_buff *skb, gfp_t priority);
struct sk_buff *__pskb_copy_fclone(struct sk_buff *skb, int headroom,
				   gfp_t gfp_mask, bool fclone);
static inline struct sk_buff *__pskb_copy(struct sk_buff *skb, int headroom,
					  gfp_t gfp_mask)
{
    
    
	return __pskb_copy_fclone(skb, headroom, gfp_mask, false);
}

/**
 *	skb_headroom - bytes at buffer head
 *	@skb: buffer to check
 *
 *	Return the number of bytes of free space at the head of an &sk_buff.
 */
static inline unsigned int skb_headroom(const struct sk_buff *skb)
{
    
    
	return skb->data - skb->head;
}

/**
 *	skb_tailroom - bytes at buffer end
 *	@skb: buffer to check
 *
 *	Return the number of bytes of free space at the tail of an sk_buff
 */
static inline int skb_tailroom(const struct sk_buff *skb)
{
    
    
	return skb_is_nonlinear(skb) ? 0 : skb->end - skb->tail;
}

/**
 *	skb_availroom - bytes at buffer end
 *	@skb: buffer to check
 *
 *	Return the number of bytes of free space at the tail of an sk_buff
 *	allocated by sk_stream_alloc()
 */
static inline int skb_availroom(const struct sk_buff *skb)
{
    
    
	if (skb_is_nonlinear(skb))
		return 0;

	return skb->end - skb->tail - skb->reserved_tailroom;
}

• skb_put()
• kfree_skb()
• skb_push()
• skb_pull()
• 等等

2.5、使用一个表头来实现套接字缓冲区的等待队列

struct sk_buff_head {
    
    
	/* These two members must be first. */
	struct sk_buff	*next;
	struct sk_buff	*prev;

	__u32		qlen;
	spinlock_t	lock;
};

sk_buff会被双向链表进行管理。

• next：指向链表下一个成员。
• prev：指向链表上一个成员。
• sk_buff_head：表示链表头。
• qlen：表示链表长度。
• lock：表示双向链表操作的保护锁，防止并发访问链表。

操作：直接在链表头部插入一个新的节点sk_buff。

2.6、net_device 数据结构分析

net_device 结构体存储着网络设备的所有信息，每个设备都有这种结 构 。 所 有 设 备 的 net_device 结 构 放 在 一 个 全 局 变 量dev_base 所有全局列表中。和 sk_buff 一样，整体结构相当庞大的。

结构体中有一个 next 指针，用来连接系统中所有网络设备。内核把这些连接起来的设备组成一个链表，并由全局变量 dev_base 指向链表的第一个元素。

net_device数据结构类型存储网络设备的所有数据信息（包含物理设备和虚拟设备）；可以流量管理、设备状态管理、设备信息统计等等。

net_device 结构体具体源码如下（include/linux/netdevice.h）：

struct net_device {
    
    
	char			name[IFNAMSIZ];
	struct netdev_name_node	*name_node;
	struct dev_ifalias	__rcu *ifalias;
	/*
	 *	I/O specific fields
	 *	FIXME: Merge these and struct ifmap into one
	 */
	unsigned long		mem_end;
	unsigned long		mem_start;
	unsigned long		base_addr;
	int			irq;

	/*
	 *	Some hardware also needs these fields (state,dev_list,
	 *	napi_list,unreg_list,close_list) but they are not
	 *	part of the usual set specified in Space.c.
	 */

	unsigned long		state;

	struct list_head	dev_list;
	struct list_head	napi_list;
	struct list_head	unreg_list;
	struct list_head	close_list;
	struct list_head	ptype_all;
	struct list_head	ptype_specific;
       // ...
}

name：网络设备名称。
mem_end、mem_start：共享内存的结束地址、起始地址。
base_addr：网络设备IO地址。
irq：网络设备的中断号。
dev_list：全局网络设备列表。
napi_list：NAPI机制，NAPI设备的列表入口。
unreg_list：注销网络设备的列表入口。
close_list：关闭网络设备列表的入口。
netdev_ops：网络设置操作集函数。
ethtool_ops：网络管理工具相关函数集。
header_ops：头部相关操作函数，比如解析、缓冲等。
flags：网络接口标志。
if_port：指定接口的端口类型。
dma：网络设备所有使用DMA通道。
max_mtu：最大传输单元。
min_mtu：最小传输单元。
type：指向ARP模块类型。
perm_addr：永久硬件地址。
addr_len：硬件地址长度。
_rx：接收队列。
_tx：发送队列。
num_tx_queues：发送队列数量。
real_num_tx_queues：当前有效的发送队列数量。
trans_start：数据包发送的时间戳，记录的是jiffiles。
ney_device_ops：网络设备相关操作的函数集合。ndo_poll_controller函数是轮询网卡数据的收发。