kernel 3.10内核源码分析--ip_append_data--IP层提供的UDP和RAW socket的发包接口

1、基本原理
    UDP发包流程中，当没有cork的情况下，会走过udp_sendmsg到达ip_append_data，该接口是IP层提供的UDP和RAW Socket的发包接口，同时，TCP中用于发送ACK和RST报文的接口ip_send_reply最终也会调用此接口
    该接口的主要作用是：将数据拷贝到适合的skb(利用发送队列中现有的或新创建)中，可能有两种情况:
    1）放入skb的线性区(skb->data)中；
    2）或者放入skb_shared_info的分片(frag)中（当开启SG特性或使用UFO时，都会用到）
    另外，还需要考虑MTU对skb数据进行分割，为IP层的分片做准备。

2、基本流程
    1）如果需要发送的数据长度>MTU，且启用GSO，而且网卡启用UFO，则调用ip_ufo_append_data接口进行处理，默认处理是创建新的page，拷贝数据，并将其链入到skb中的分片(skb_shinfo(skb)->frags)中。
    2）如果sock发送队列为空，或者现有的skb中的空余空间(相对于MTU来说)不足以存放本次需要发送的数据，则新创建skb，并将这次需要发送的新数据拷贝拷新创建的skb中。同时，还需要判断原有的skb中的数据是否超过了MTU，如果超过，那么在拷贝新数据之前，还需要将原有skb进行分段，即将超出MTU的部分数据拷贝到新skb中。
    3）否则，直接利用现有发送队列中的skb，然后判断网卡硬件是否支持SG特性，如果不支持，则将需要发送的新数据拷贝到现有skb的线性数据区(skb->data)中；如果网卡支持SG特性，则将需要发送的新数据拷贝到SG相关的分片(分散聚集IO页面数组)中。
    代码调用流程大致如下：
udp_sendmsg-->
    ip_append_data-->
        __ip_append_data-->
            ip_ufo_append_data //UFO相关处理
            sock_alloc_send_skb/sock_wmalloc //分配新skb
            getfrag //拷贝发送数据到skb中

3、代码分析
ip_append_data()：

/*
 *    ip_append_data() and ip_append_page() can make one large IP datagram
 *    from many pieces of data. Each pieces will be holded on the socket
 *    until ip_push_pending_frames() is called. Each piece can be a page
 *    or non-page data.
 *
 *    Not only UDP, other transport protocols - e.g. raw sockets - can use
 *    this interface potentially.
 *
 *    LATER: length must be adjusted by pad at tail, when it is required.
 */
/*
  * 主要用作UDP和Raw socket的输出接口，但TCP中用于发送ACK和RST的函数ip_send_reply()最终也调用了此接口。
  * 主要作用是将数据拷贝到适合的skb(利用发送队列中现有的或新创建)中，可能有两种情况: 放入skb的线性
  * 区(skb->data)中，或者放入skb_shared_info的分片(frag)中，同时还需要考虑MTU对skb数据进行分割，为IP层的分片做准备。
  */
int ip_append_data(struct sock *sk, struct flowi4 *fl4,
         int getfrag(void *from, char *to, int offset, int len,
             int odd, struct sk_buff *skb),
           void *from, int length, int transhdrlen,
           struct ipcm_cookie *ipc, struct rtable **rtp,
           unsigned int flags)
{
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    int err;
    /*MSG_PROBE标记表示探测，并非要发送实际数据*/
    if (flags&MSG_PROBE)
        return 0;
    /*如果传输控制块(sock)的的输出队列为空，则需要设置一些临时信息，如果不为空，那就可以使用上次发送时的相关信息*/
    if (skb_queue_empty(&sk->sk_write_queue)) {
        /*填充cork相关数据结构*/
        err = ip_setup_cork(sk, &inet->cork.base, ipc, rtp);
        if (err)
            return err;
    } else {
        transhdrlen = 0;
    }
    /*实际append操作*/
    return __ip_append_data(sk, fl4, &sk->sk_write_queue, &inet->cork.base,
                sk_page_frag(sk), getfrag,
                from, length, transhdrlen, flags);
}

ip_append_data()-->__ip_append_data():

static int __ip_append_data(struct sock *sk,
                struct flowi4 *fl4,
                struct sk_buff_head *queue,
                struct inet_cork *cork,
                struct page_frag *pfrag,
             int getfrag(void *from, char *to, int offset,
                    int len, int odd, struct sk_buff *skb),
                void *from, int length, int transhdrlen,
                unsigned int flags)
{
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    struct sk_buff *skb;
    /*从cork结构中读取ip_option信息*/
    struct ip_options *opt = cork->opt;
    int hh_len;
    /*用于记录IPsec中扩展首部的长度，未启用IPsec是为0*/
    int exthdrlen;
    int mtu;
    int copy; /*当前需要拷贝的数据大小。取决于skb中线性区剩余的空间大小和非线性区的大小*/
    int err;
    int offset = 0;
    unsigned int maxfraglen, fragheaderlen;
    int csummode = CHECKSUM_NONE;
    struct rtable *rt = (struct rtable *)cork->dst;
    /*从sock发送队列末尾取skb*/
    skb = skb_peek_tail(queue);

    exthdrlen = !skb ? rt->dst.header_len : 0;
    mtu = cork->fragsize;
    /*获取链路层首部的长度*/
    hh_len = LL_RESERVED_SPACE(rt->dst.dev);
    /*获取IP首部(包括IP选项)的长度*/
    fragheaderlen = sizeof(struct iphdr) + (opt ? opt->optlen : 0);
    /*IP数据包中数据的最大长度，通过mtu计算，并进行8字节对齐，目的是提升计算效率*/
    maxfraglen = ((mtu - fragheaderlen) & ~7) + fragheaderlen;
    /*输出的报文长度不能超过IP数据报能容纳的最大长度(64K)*/
    if (cork->length + length > 0xFFFF - fragheaderlen) {
        ip_local_error(sk, EMSGSIZE, fl4->daddr, inet->inet_dport,
                   mtu-exthdrlen);
        return -EMSGSIZE;
    }

    /*
     * transhdrlen > 0 means that this is the first fragment and we wish
     * it won't be fragmented in the future.
     */
    /*如果没有分片，且硬件支持计算校验和，则设置CHECKSUM_PARTIAL标记，由硬件来计算校验和*/
    if (transhdrlen &&
        length + fragheaderlen <= mtu &&
        rt->dst.dev->features & NETIF_F_V4_CSUM &&
     !exthdrlen)
        csummode = CHECKSUM_PARTIAL;
    /*增加cork阻塞的长度*/
    cork->length += length;
    if (((length > mtu) || (skb && skb_is_gso(skb))) &&
     (sk->sk_protocol == IPPROTO_UDP) &&
     (rt->dst.dev->features & NETIF_F_UFO) && !rt->dst.header_len) {
     /*
     * UFO处理，需要满足上述几个条件，主要为:数据长度>mtu + 启用GSO + 网卡启用UFO.
         * 默认处理是创建新的page，拷贝数据，并将其链入到skb中的分片中(skb_shared_info,SG相关)
     */
        err = ip_ufo_append_data(sk, queue, getfrag, from, length,
                     hh_len, fragheaderlen, transhdrlen,
                     maxfraglen, flags);
        if (err)
            goto error;
        return 0;
    }

    /* So, what's going on in the loop below?
     *
     * We use calculated fragment length to generate chained skb,
     * each of segments is IP fragment ready for sending to network after
     * adding appropriate IP header.
     */
    /*如果输出队列中没有skb，那说明队列为空，需要新创建skb来发送数据*/
    if (!skb)
        goto alloc_new_skb;
    /*
     * 存在skb，且没有进入UFO流程，那么这里就要开始进行分段了，length为需要发送的数据长度
     * UDP层的分段实际是在这里完成的。当length 大于该skb中剩余的空间大小(copy)时，则需要分配新
     * 的skb中来存放length中剩余的数据，新分配的skb会也被链入sock的发送队列链表中，最后会通过
     * ip_make_skb，将sock发送链表中的skb中都链入到skb->frag_list中
     */
    while (length > 0) {
        /* Check if the remaining data fits into current packet. */
        /*计算当前skb中还能放多少数据，通过mtu-skb的数据长度计算，因为没有开启UFO，每个数据包长度不能大于mtu*/
        copy = mtu - skb->len;
        /*
         * 如果skb的剩余空间不足以存放完这次需要放入的数据长度length，则将当前skb填满即可，剩余数据留下一个skb发送
         * 其中maxfraglen是8字节对齐后的mtu。
         */
        if (copy < length)
            copy = maxfraglen - skb->len;
        /*
         * 这里分两种情况:1.copy < 0，这表示:当前skb中的数据本身就已经大于MTU了(可能由于老版本中ip_ufo_append_data流程中UFO标记没有设置导致)，
         * 那就需要对原来的skb重新进行分段了，需要新分配skb来容纳原来skb中的数据
         * 2.copy==0，这表示当前skb不足以容纳length长度的数据，并且原来的skb中的数据已经填满了(此时数据包刚好为mtu，所以copy刚好为0)，此时
         * 需要分配新的skb来装剩下的数据，直至copy>0(表示当前skb中在装完length长度的数据后，还剩余空间，表明这已经是最后一个分段了)循环
         * 结束，以这种方式达到分段的目的。
         */
        if (copy <= 0) {
            char *data;
            unsigned int datalen;
            unsigned int fraglen;
            unsigned int fraggap;
            unsigned int alloclen;
            struct sk_buff *skb_prev;
alloc_new_skb:/*3种原因需要新分配skb: 1.原有的skb数据区空间不足2.sock的输出队列为空3.原来的skb的数据已经大于mtu了，需要重新分段*/
            skb_prev = skb;
            /*由于原有的skb数据区空间不足，而需要分配新skb，计算不足的大小*/
            if (skb_prev)
                fraggap = skb_prev->len - maxfraglen;
            /*由于sock的输出队列为空*/
            else
                fraggap = 0;

            /*
             * If remaining data exceeds the mtu,
             * we know we need more fragment(s).
             */
            /*这次需要新分配的数据区大小length加上原来skb中不足的大小，为新skb需要分配的数据区大小*/
            datalen = length + fraggap;
            /*如果新skb需要分配的数据区大小超过了mtu，那这次还是只能分配mtu的大小，剩余数据需要通过循环分配新skb来容纳*/
            if (datalen > mtu - fragheaderlen)
                datalen = maxfraglen - fragheaderlen;
            /*数据报分片大小需要加上IP首部的长度*/
            fraglen = datalen + fragheaderlen;
            /*如果设置了MSG_MORE标记，表明需要等待新数据，一直到超过mtu为止，则设置"分配空间大小"为mtu*/
            if ((flags & MSG_MORE) &&
             !(rt->dst.dev->features&NETIF_F_SG))
                alloclen = mtu;
            /*否则需要分配的空间大小为数据报分片大小*/
            else
                alloclen = fraglen;
            /*再加上IPsec相关的头部长度*/
            alloclen += exthdrlen;

            /* The last fragment gets additional space at tail.
             * Note, with MSG_MORE we overallocate on fragments,
             * because we have no idea what fragment will be
             * the last.
             */
            if (datalen == length + fraggap)
                alloclen += rt->dst.trailer_len;
            /*
             * 根据是否存在传输层首部，确定分配skb的方法:
             * 如果存在，则说明该分片为分片组中的第一个分片，那就需要考虑更多的情况，比如:发送是否超时、是否发生未处理的致命错误、
             * 发送通道是否已经关闭等；当不存在传输层首部时，说明不是第一个分片，则不需考虑这些情况。
             */
            if (transhdrlen) {
                /*分配skb，并进行相关处理*/
                skb = sock_alloc_send_skb(sk,
                        alloclen + hh_len + 15,
                        (flags & MSG_DONTWAIT), &err);
            } else {/*不是第一个分片(分段)，直接分片新的skb*/
                skb = NULL;
                if (atomic_read(&sk->sk_wmem_alloc) <=
                    2 * sk->sk_sndbuf)
                 /*分配skb*/
                    skb = sock_wmalloc(sk,
                               alloclen + hh_len + 15, 1,
                               sk->sk_allocation);
                if (unlikely(skb == NULL))
                    err = -ENOBUFS;
                else
                    /* only the initial fragment is
                     time stamped */
                    cork->tx_flags = 0;
            }
            if (skb == NULL)
                goto error;

            /*
             *    Fill in the control structures
             */
            /*初始化skb中的相关成员*/
            skb->ip_summed = csummode;
            skb->csum = 0;
            /*留出链路层头部大小*/
            skb_reserve(skb, hh_len);
            /*设置tx_flags*/
            skb_shinfo(skb)->tx_flags = cork->tx_flags;

            /*
             *    Find where to start putting bytes.
             */
            /*在skb中预留存放三层首部和数据的空间*/
            data = skb_put(skb, fraglen + exthdrlen);
            /*设置IP头指针位置*/
            skb_set_network_header(skb, exthdrlen);
            /*计算传输层头部长度*/
            skb->transport_header = (skb->network_header +
                         fragheaderlen);
            /*计算数据存入的位置*/
            data += fragheaderlen + exthdrlen;
            /*
             * 如果上一个skb的数据大于mtu(8字节对齐)，那么需要对其进行分段处理，即将一个skb拆开，
             * 将上一个skb中超出的数据和传输层首部并 复制到当前的skb中，并重新计算校验和。
             */
            if (fraggap) {
                skb->csum = skb_copy_and_csum_bits(
                    skb_prev, maxfraglen,
                    data + transhdrlen, fraggap, 0);
                /*上一个skb的校验和也需要重新计算*/
                skb_prev->csum = csum_sub(skb_prev->csum,
                              skb->csum);
                /*拷贝新数据后，再次移动data指针，更新数据写入的位置*/
                data += fraggap;
                /*已8字节对齐的MTU大小截取上一个skb，多余的数据已经拷贝到新的skb中了，需要截掉*/
                pskb_trim_unique(skb_prev, maxfraglen);
            }
            /*拷贝新数据到数据区*/
            copy = datalen - transhdrlen - fraggap;
            /*getfrag为传入的函数指针，udp默认为ip_generic_getfrag，用于从用户态拷贝数据到内核中(skb的数据区)*/
            if (copy > 0 && getfrag(from, data + transhdrlen, offset, copy, fraggap, skb) < 0) {
                err = -EFAULT;
                kfree_skb(skb);
                goto error;
            }
            /*更新下次拷贝相关的数据*/
            offset += copy;
            length -= datalen - fraggap;
            /*由于传输层首部已经拷贝过了，所以相关变量置0*/
            transhdrlen = 0;
            exthdrlen = 0;
            csummode = CHECKSUM_NONE;

            /*
             * Put the packet on the pending queue.
             */
            /*复制完数据的skb添加到sock输出队列的末尾*/
            __skb_queue_tail(queue, skb);
            continue;
        }
        /*如果当前skb中的剩余数据区大于要拷贝的数据长度，那说明这次要发送的数据可以直接放入当前的skb中，直接拷贝即可。*/
        if (copy > length)
            copy = length;
        /*如果硬件不支持SG(分散聚集特性，使用skb中的非线性区(shared_info))*/
        if (!(rt->dst.dev->features&NETIF_F_SG)) {
            unsigned int off;

            off = skb->len;
            /*将数据拷贝到skb中的线性区*/
            if (getfrag(from, skb_put(skb, copy),
                    offset, copy, off, skb) < 0) {
                __skb_trim(skb, off);
                err = -EFAULT;
                goto error;
            }
        } else {/*如果硬件支持SG，则将数据拷贝到skb的非线性区(shared_info)的frags[]数组指向的page中，注意:UFO时也会使用这个*/
            int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags;

            err = -ENOMEM;
            /*在分片列表(frags)中使用原有分片(返回相应分片的指针)或分配新页来存放数据*/
            if (!sk_page_frag_refill(sk, pfrag))
                goto error;
            /*
             * 如果传输控制块(sock)中的缓存页pfrag，不是当前skb->shared_info中的最后一个分片(分散聚集IO页面)所在的页面，则直接使用该页面，
             * 将其添加 到分片列表(分散聚集IO页面数组)中，否则说明传输控制块(sock)中的缓存页pfrag就是分散聚集IO页面的最后一个页面，
             * 则直接向其中拷贝数据即可。
             */
            if (!skb_can_coalesce(skb, i, pfrag->page,
                          pfrag->offset)) {
                err = -EMSGSIZE;
                if (i == MAX_SKB_FRAGS)
                    goto error;

                __skb_fill_page_desc(skb, i, pfrag->page,
                             pfrag->offset, 0);
                skb_shinfo(skb)->nr_frags = ++i;
                get_page(pfrag->page);
            }
            copy = min_t(int, copy, pfrag->size - pfrag->offset);
            /*拷贝数据至skb中非线性区分片(分散聚集IO页面)中*/
            if (getfrag(from,
                    page_address(pfrag->page) + pfrag->offset,
                    offset, copy, skb->len, skb) < 0)
                goto error_efault;
            /*移动相应数据指针*/
            pfrag->offset += copy;
            /*增加分片大小*/
            skb_frag_size_add(&skb_shinfo(skb)->frags[i - 1], copy);
            /*增加skb数据相关大小*/
            skb->len += copy;
            skb->data_len += copy;
            skb->truesize += copy;
            /*增加sock发送缓存区已分配数据大小*/
            atomic_add(copy, &sk->sk_wmem_alloc);
        }
        offset += copy;
        /*length减去已经拷贝的大小，如果拷完了，则结束循环，否则继续拷贝*/
        length -= copy;
    }

    return 0;

error_efault:
    err = -EFAULT;
error:
    cork->length -= length;
    IP_INC_STATS(sock_net(sk), IPSTATS_MIB_OUTDISCARDS);
    return err;
}