kernel 网桥代码分析

作者：林海枫

本文地址： http://blog.csdn.net/linyt/archive/2010/01/14/5191512.aspx

注：本文由作者所拥用，欢迎转载，但请全文转载并注明作者，请勿用于 任何商途。

本文分析的kernel版本为：2.6.24.4，网桥代码目录为：linux-2.6.24.4/net/bridge。

本文着重分析网桥的基本功能，关于STP的功能，我想从另写一篇文章进行分析。由于时间仓促，分析可能存在不足之外。

      网桥是kernel网络模块中相于独立的module，读者具有简单的kernel网络设备驱动开发和kerenl网络协议的基础知识即可。我在2007年就开始接触网桥了，当时有位同事为了测试网桥的功能，还特地查看了网桥的代码，还特意转告我一定要看看这部分的代码，他说比较简单，也很容易看个明白。我当时在做Linux系统的测试工作，还未正式进行开发工作，虽然把代码查看了一翻，但由于经验关系，看得一窍不通。两年过去了，在Linux的开发过程了，接触了kernel的机会也很多。去年3月份，阅读了kernel中网络子模块的部分代码。最近由于工作的需要，阅读了项目中网络驱动部分的代码，就这样，目光转向了Linux网桥代码。遂有写此文之愿。

第一部分： 网桥的报文处理功能分析

1.1  Linux网桥的配置实例
      在Linux里面使用网桥非常简单，仅需要做两件事情就可以配置了。其一是在编译内核里把CONFIG_BRIDGE或CONDIG_BRIDGE_MODULE编译选项打开；其二是安装brctl工具。第一步是使内核协议栈支持网桥，第二步是安装用户空间工具，通过一系列的ioctl调用来配置网桥。下面以一个相对简单的实例来贯穿全文，以便分析代码。

 Linux机器有4个网卡，分别是eth0~eth4，其中eth0用于连接外网，而eth1, eth2, eth3都连接到一台PC机，用于配置网桥。只需要用下面的命令就可以完成网桥的配置：

Brctl addbr br0 (建立一个网桥br0, 同时在Linux内核里面创建虚拟网卡br0)

Brctl addif br0 eth1

Brctl addif br0 eth2

Brctl addif br0 eth3 (分别为网桥br0添加接口eth1, eth2和eth3)

      其中br0作为一个网桥，同时也是虚拟的网络设备，它即可以用作网桥的管理端口，也可作为网桥所连接局域网的网关，具体情况视你的需求而定。要使用br0接口时，必需为它分配IP地址。为正常工作，PC1, PC2，PC3和br0的IP地址必须分配在同一个网段。

1.2  网桥的数据结构
      网桥的核心数据结构主要有：struct net_bridge和struct net_bridge_port这两个结构，当然还有通用的网络设备结构struct net_device。为了简单起见，我们以上述为例子，描述出此时它的静态结构。

每个网桥由struct net_bridge结构来维护，它主要的成员有：port_list，dev和hash。Port_list是一个双向链表，它元素的结构为struct net_bridge_port，每个加入到网桥的设备都在里面占一个元素结点。Dev指针指向net_device变量，它存放网络设备br0的信息。Hash是MAC地址的hash表，MAC地址的hash值为数组结构的下标，每个数组元素为链表，每个元素就是唯一的struct net_bridge_fdb_entry结构，以MAC地址为标识符。

1.3  网桥数据包入口
      网桥是一种2层网络互连设备，而不是一种网络协议。它在协议结构上并没有占有一席之地，因此不能通过向协议栈注册协议的方式来申请网桥数据包的处理。相反，网桥接口（如上述的eth1）的数据包和一般接口（如eth0）在格式上完全是一样的，不同之处是网桥在2层上就对它进行了转了，而一般接口要在3层才能根据路由信息来决定是否要转发，如何转发。那么一个网络接口，在驱动处理完数据包后，怎么才知道该接口分配在一个网桥里面呢？其实很简单，当brctl工具通过ioctl系统调用时，kernel为该添加的设备生成一个bridge_port结构并放到port_list链中，同时将该bridge_port的值赋予设备net_device的br_port指针。因此，要识别接口是否属于某个网桥，只需判断net_device的br_port指针是否不为空即可。

     现假设PC1向PC2发送其个数据包，数据首先会由eth1网卡接收，此后网卡向CPU发送接收中断。当CPU执行当前指令后（如果开中断的话），马上跳到网卡的驱动程去。Eth1的网卡驱动首先生成一个skb结构，然后对以太网层进行分析，最后驱动将该skb结构放到当前CPU的输入队列中，唤醒软中断。如果没有其它中断的到来，那么软中断将调用netif_receive_skb函数。代码和分析如下所述：

[linux-2.6.24.4/net/core/dev.c]

 

 

int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
   //当网络设备收到网络数据包时，最终会在软件中断环境里调用此函数

   //检查该数据包是否有packet socket来接收该包，如果有则往该socket

   //拷贝一份，由deliver_skb来完成。

   list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
     if (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev) {
       if (pt_prev)
         ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
       pt_prev = ptype;
     }
   }
   // 先试着将该数据包让网桥函数来处理，如果该数据包的入口接口确实是网桥接口，

   // 则按网桥方式来处理，并且handle_bridge返回NULL，表示网桥已处理了。

   // 如果不是网桥接口的数据包，则不应该让网桥来处理，handle_bridge返回skb，

   // 后面代码会让协议栈来处理上层协议。

   skb = handle_bridge(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
   if (!skb)
     goto out;
   skb = handle_macvlan(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
   if (!skb)
     goto out;
   //对该数据包转达到它L3协议的处理函数

   type = skb->protocol;
   list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_base[ntohs(type)&15], list) {
     if (ptype->type == type &&
         (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev)) {
       if (pt_prev)
         ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
       pt_prev = ptype;
     }
   }
}

1.4  handle_bridge处理函数

[linux-2.6.24.4/net/core/dev.c]

 

static inline struct sk_buff *handle_bridge(struct sk_buff *skb,
                                            struct packet_type **pt_prev, int *ret,
                                            struct net_device *orig_dev)
{
  struct net_bridge_port *port;
  //如果该数据包产生于本机，而目标同时为本机。

  if (skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK ||
     //如果该数据包的输入接口不是网桥接口

     (port = rcu_dereference(skb->dev->br_port)) == NULL)
     // 以上两种情况都需要让上层协议进行处理

    return skb;
  if (*pt_prev) {
    *ret = deliver_skb(skb, *pt_prev, orig_dev);
    *pt_prev = NULL;
  }
  //数据包的入口接口是网桥接口。下面将按网桥逻辑进行处理。

  //如假包换，数据包转达到真正的网桥处理函数

  //br_handle_frame_hook在网桥模块的init函数被初始化为

  //br_handle_frame

  return br_handle_frame_hook(port, skb);
}

1.5  网桥处理逻辑

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]

struct sk_buff *br_handle_frame(struct net_bridge_port *p, struct sk_buff *skb)
{
  //所有网桥通信的数据包都会进入到这里，谓之为网桥处理函数

  const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
  int (*rhook)(struct sk_buff *skb);
  
  if (!is_valid_ether_addr(eth_hdr(skb)->h_source))
    goto drop;
  //如果skb是share的，则拷贝一份

  skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC);
  if (!skb)
    return NULL;
  if (unlikely(is_link_local(dest))) {
    /* Pause frames shouldn't be passed up by driver anyway */
    if (skb->protocol == htons(ETH_P_PAUSE))
      goto drop;
    //如果该数据包的目标地址为STP协议的组播地址，并且该网桥启用STP功能，

    //则，结束该数据包的处理，它将会在第(2)处理得到处理

    if (p->br->stp_enabled != BR_NO_STP) {
      if (NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, skb->dev,
                  NULL, br_handle_local_finish))
        return NULL;
      else
        return skb;
    }
    // 如果该包是发往网桥组播的，但该网桥没有启用STP功能，则在下面处理，

    // 并返回已处理的标识（返回NULL）来通知代码(2)处不需再处理。

  }
  switch (p->state) {
    case BR_STATE_FORWARDING:
      rhook = rcu_dereference(br_should_route_hook);
      if (rhook != NULL) {
        if (rhook(skb))
          // 如果该接口处于Forwarding状态，并且该报文必需要走L3层

          // 进行转发，则直接返回，让代码(2)进行处理。

          // br_should_route_hook钩子函数在ebtable里面设置为ebt_broute函数，

          //它根据用户的规则来决定该报文是否要能通过L3来转发。

          return skb;
        dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
     }
      /* fall through */
    case BR_STATE_LEARNING:
      if (!compare_ether_addr(p->br->dev->dev_addr, dest))
        //当用内核创建一个网桥的同时也会创建一个虚拟的网络设备，它的名字

        //为网桥的名字，保存在p->br->dev指针里。P->br->dev和port_list里面的

        //接口共同组成一个网桥。如果该报文是要发往此接，则标记skb->pkt_type为

        //PACKET_HOST。因为报文最终是要发送到p->br->dev的输送队列里面，

        //正如一般的网卡驱动程序将数据包送往到某个net_device的输入队列一样，

        //这样bridge功能充当了虚拟网卡(如例子中的br0)驱动，应当设置

        //skb->pkt_type

        //为PACKET_HOST，表明数据包是要发送该接口，而非是因为打开混杂模式

        //而接收到的。

        skb->pkt_type = PACKET_HOST;
        // 接着由br_handle_frame_finish函数继续处理。

        NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,
                br_handle_frame_finish);
      break;
  default:
    //其它状态下的端口，不能处理数据包，直接丢弃。

  drop:
    kfree_skb(skb);
  }
  // 该数据包要么被网桥处理了，要么处理时出错，不需要上层协议处理，

  // 返回NULL，代码（2）处不会处理该报文。

  return NULL;
}

1.6  br_handle_frame_finish函数

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]

int br_handle_frame_finish(struct sk_buff *skb)
{
  const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
  struct net_bridge_port *p = rcu_dereference(skb->dev->br_port);
  struct net_bridge *br;
  struct net_bridge_fdb_entry *dst;
  struct sk_buff *skb2;
  if (!p || p->state == BR_STATE_DISABLED)
    goto drop;
  //对所有报的源MAC地址进行学习，这是网桥的特点之一，

  //通过对源地址的学习来建立MAC地址到端口的映射。

  br = p->br;
  br_fdb_update(br, p, eth_hdr(skb)->h_source);
  if (p->state == BR_STATE_LEARNING)
    goto drop;
  // skb2指针表明，有数据要发往本机的网络接口，即p->br->dev接口。

  skb2 = NULL;
  // 如果应用程序要dump本机接口的数据，那么该数据包应往主机发一份，

  // 一个明显的例子就是在用户在运行tcpdump –I br0或类似的程序。

  if (br->dev->flags & IFF_PROMISC)
    skb2 = skb;
  dst = NULL;
  if (is_multicast_ether_addr(dest)) {
    // 如果该报文是一个L2多播报文（如arp请求），那么它应该转发到

    // 该网桥的所有接口。

    // 这同样是网桥的一个特点，广播和组播报文要转发到它的所有接口。

    br->statistics.multicast++;
    skb2 = skb;
  } else if ((dst = __br_fdb_get(br, dest)) && dst->is_local) {
    // __br_fdb_get函数先查MAC-端口映射表，这一步是网桥的关键。

    // 这个报文应从哪个接口转发出去就看它了。

    // 如果这个报文应发往本机，那么skb置空。不需要再转发了，

    // 因为发往本机接口从逻辑上来说本身就是一个转发。

    skb2 = skb;
    skb = NULL;
  }
  if (skb2 == skb)
    skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);
  // skb2不为空，表明要发往本机，br_pass_frame_up函数来完成发往

  // 本机的工作。

  if (skb2)
    br_pass_frame_up(br, skb2);
  if (skb) {
    if (dst)
      // 由br_forward函数从dst所指向的端口将该报文发出去。

      br_forward(dst->dst, skb);
    else
      // 此报文是广播或组播报文，由br_flood_forward函数把报文向所有

      // 端口转发出去。

      br_flood_forward(br, skb);
  }
  out:
    return 0;
  drop:
    kfree_skb(skb);
  goto out;
}

1.7  通过br_pass_frame_up函数将报文发往本机接口。

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]

static void br_pass_frame_up(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb)
{
  struct net_device *indev;
  br->statistics.rx_packets++;
  br->statistics.rx_bytes += skb->len;
  indev = skb->dev;
  skb->dev = br->dev;
  //br->dev是一个虚拟的网络设备，这是网桥局域网通往本机的必经之道。

  //请注意，br->dev是本机和网桥相连的接口。当报文经网桥处理后，发现

  //该报文应该发往本机，那就使用netif_receive_skb函数将该报文向上层

  //协议投递。并且要将skb->dev设置为本机接口即br->dev，并且所有数据在

  //它的入口接口indev的驱动中已处理完毕，因此可直接通知上层协议来处理。

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL,
          netif_receive_skb);
}

1.8  通过br_forward函数将报文从另一个端口转发出去

void br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
  if (should_deliver(to, skb)) {
    __br_forward(to, skb);
    return;
  }
  kfree_skb(skb);
}

Should_deliver函数来测试是否应将该包转发出去，它由出口端的状态和报文的入口端口信息来决定，它的定义如下：

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]

static inline int should_deliver(const struct net_bridge_port *p,
                                 const struct sk_buff *skb)
{
  //1) 入口端口和出口端口不能相同，如果是相同的话，那么源主机和目标

  // 主机在同一端口的子网段中，也即源主机和目标主机在同一广播域里面，

  // 目标主机和网桥都会同时收到该报文，因此网桥无需多此一举。

  //2) 如果出口端口的状态不是Forwarding，则不能转发出去。如果一个网桥

  // 没有启用STP功能，并且网络接口的状态为UP，那么它网桥端口的状态

  // 为Forwarding。如果启用STP，每个端口都有一个严格的状态，规定那些

  // 端口在什么情况下才能成为Forwarding状态，否则容易造成环路，产生

  // 网络风暴。

  return (skb->dev != p->dev && p->state == BR_STATE_FORWARDING);
}

若报文的确需要转发，因为目标主机是在另一个子网段，而且没有其它网相连的网格端口可抵达该子网段（这里考虑到启用STP功能，如果搞不清楚可略过）。将调用__br_forward函数实施这一转发功能。

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]

static void __br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
  struct net_device *indev;
  indev = skb->dev;
  skb->dev = to->dev;
  skb_forward_csum(skb);
  // 通过br_forward_finish函数最终完成转发功能

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_FORWARD, skb, indev, skb->dev,
          br_forward_finish);
}

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]

int br_forward_finish(struct sk_buff *skb)
{
  return NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL, skb->dev, br_dev_queue_push_xmit);
}
 

Br_dev_queue_push_xmit在调用dev_queue_xmit函数前做些必要的检查工作。例如，报文的长度比出口端口的MTU还大，则丢掉该报文。

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]

int br_dev_queue_push_xmit(struct sk_buff *skb)
{
  /* drop mtu oversized packets except gso */
  if (packet_length(skb) > skb->dev->mtu && !skb_is_gso(skb))
    kfree_skb(skb);
  else {
    /* ip_refrag calls ip_fragment, doesn't copy the MAC header. */
    if (nf_bridge_maybe_copy_header(skb))
      kfree_skb(skb);
    else {
      // 网桥在处理数据包里，只需拆包来获得目标MAC地址，而不需要

      // 更改数据包的任何内容。但在入口网卡的驱动中已将以太网头部

      // 剥掉，现在需要将它套上。Skb_push函数实现这一功能。

      skb_push(skb, ETH_HLEN);
      // 放到网卡输出队列里，该网卡驱动将它送出去。

      dev_queue_xmit(skb);
    }
  }
  return 0;
}

1.9  br_flood_forward 函数把报文转发到网桥所有出口端口

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]

void br_flood_forward(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb)
{
  br_flood(br, skb, __br_forward);
}

__br_forward代码已在前面分析过，它从指定的出口端口转发该报文。

      而br_flood函数，把__br_forward函数作为回调函数，依次遍网桥的所有出口端，调用__br_forward函数将该报文转发出去。一个广播报文从某一端口进入，应该其余的端口都应该转发出去，但入口端口就不需要了。下面的代码看似把报文从所有端口都转发一份，其实不然，should_deliver会阻止这样的事情发生。

[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]

static void br_flood(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb,
                     void (*__packet_hook)(const struct net_bridge_port *p,
                     struct sk_buff *skb))
{
  struct net_bridge_port *p;
  struct net_bridge_port *prev;
  prev = NULL;
  list_for_each_entry_rcu(p, &br->port_list, list) {
    if (should_deliver(p, skb)) {
      if (prev != NULL) {
        struct sk_buff *skb2;
        if ((skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL) {
          br->statistics.tx_dropped++;
          kfree_skb(skb);
          return;
        }
        __packet_hook(prev, skb2);
      }
      prev = p;
    }
  }
  if (prev != NULL) {
    __packet_hook(prev, skb);
    return;
  }
  kfree_skb(skb);
}