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作者：misteryoung
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1 前言
本文旨在介绍Linux作为3层设备（路由器）对收到的报文是如何处理的。
说明：本文的代码对应的内核版本为：Linux-2.6.32.11
2 分析
我们都知道，路由器根据报文的目的IP（不考虑策略路由的情况）的路由结果来决定报文的走向：
1）上送本地；
2）转发出去；
3）路由失败，报文被丢弃（回应ICMP差错报文）；
下面针对这几种情况一次分析。
2.1 本地处理
对于上送本地的报文，3层（路由）处理完以后，需要交给4层处理，根据协议的不同，报文会被TCP/UDP/ICMP等模块处理。
2.1.1 TCP报文
对于TCP报文来说，内核首先会查找socket，若查找失败，会回复TCP reset报文；否则，若是协议报文（例如SYN或者FIN包），内核进行TCP状态机的处理，若是数据报文，则会将报文交给用户进程处理（放入收包队列，并唤醒相关进程）。
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tcp_v4_rcv函数代码片段 --查找socket
-
sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, th->source, th->dest);
-
if (!sk)
-
goto no_tcp_socket;
-
-
process:
-
if (sk->sk_state == TCP_TIME_WAIT)
-
goto do_time_wait
-
tcp_v4_rcv函数代码片段 --无相应的socket，则回复TCP reset
-
if (skb->len < (th->doff << 2) || tcp_checksum_complete(skb)) {
-
bad_packet:
-
TCP_INC_STATS_BH(net, TCP_MIB_INERRS);
-
} else {
-
tcp_v4_send_reset(NULL, skb);
-
}
2.1.2 UDP报文
对于UDP报文来说，内核依然会查找socket，若查找失败，则回复ICMP的端口不可达报文；否则，或者将报文交给用户进程处理（放入收包队列，并唤醒相关进程），或者内核继续处理。
-
udp_rcv -> __udp4_lib_rcv函数代码片段 -- 查找socket
-
if (rt->rt_flags & (RTCF_BROADCAST|RTCF_MULTICAST))
-
return __udp4_lib_mcast_deliver(net, skb, uh,
-
saddr, daddr, udptable);
-
-
sk = __udp4_lib_lookup_skb(skb, uh->source, uh->dest, udptable);
-
-
if (sk != NULL) {
-
int ret = udp_queue_rcv_skb(sk, skb);
-
sock_put(sk);
-
-
/* a return value > 0 means to resubmit the input, but
-
* it wants the return to be -protocol, or 0
-
*/
-
if (ret > 0)
-
return -ret;
-
return 0;
-
}
-
udp_rcv -> __udp4_lib_rcv函数代码片段 -- 无相应的socket，则回复端口不可达差错报文
-
UDP_INC_STATS_BH(net, UDP_MIB_NOPORTS, proto == IPPROTO_UDPLITE);
-
icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_PORT_UNREACH, 0);
-
-
/*
-
* Hmm. We got an UDP packet to a port to which we
-
* don't wanna listen. Ignore it.
-
*/
-
kfree_skb(skb);
-
return 0;
下面说一下，哪些UDP报文到了4层，查找完socket后还需要内核进一步处理。
下面的代码展示了，udp_queue_rcv_skb函数确实会进行特殊处理，那么哪些报文需要特殊处理呢？
-
udp_rcv -> __udp4_lib_rcv -> udp_queue_rcv_skb函数代码片段
-
if (up->encap_type) {
-
/*
-
* This is an encapsulation socket so pass the skb to
-
* the socket's udp_encap_rcv() hook. Otherwise, just
-
* fall through and pass this up the UDP socket.
-
* up->encap_rcv() returns the following value:
-
* =0 if skb was successfully passed to the encap
-
* handler or was discarded by it.
-
* >0 if skb should be passed on to UDP.
-
* <0 if skb should be resubmitted as proto -N
-
*/
-
-
/* if we're overly short, let UDP handle it */
-
if (skb->len > sizeof(struct udphdr) &&
-
up->encap_rcv != NULL) {
-
int ret;
-
-
ret = (*up->encap_rcv)(sk, skb);
-
if (ret <= 0) {
-
UDP_INC_STATS_BH(sock_net(sk),
-
UDP_MIB_INDATAGRAMS,
-
is_udplite);
-
return -ret;
-
}
-
}
-
-
/* FALLTHROUGH -- it's a UDP Packet */
-
}
1）L2TP报文
对应的处理函数为pppol2tp_udp_encap_recv，该函数处理UDP报文内部的L2TP及PPP协议，然后根据PPP内部的数据决定是通过/dev/ppp将报文上送用户态，还是解封装后将报文重新入队列（调用netif_rx函数）。
2）IPSec
对应的处理函数为xfrm4_udp_encap_rcv，该函数在IPSec穿NAT时被注册。该函数将UDP剥掉以后，将内层数据交由ESP模块进一步处理。
2.1.3 ICMP报文
不同于TCP/UDP，ICMP报文不会查找socket或者不会首先查找socket。而是根据不同的type，内核调用不同的函数做不同的处理。
简单来说，ICMP共分为两类：
1、PING Request和Reply
1）对于Request报文，内核直接回复；而对于Reply会直接丢弃。
注：对高版本内核（3.0及以上）来说，Request报文，内核依然直接回复，而对于Reply，内核会查找socket，若成功，则将报文交给用户进程处理。因为高版本内核支持ping socket的创建，其流程大致如下是：
socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_ICMP)
bind 指定报文的ID
send/recv 收发包
而对于低版本内核，只能通过socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP)实现，并通过raw socket收包流程，将报文上送用户进程。当然，这与ICMP协议无关，无论4层是哪种协议（包括TCP/UDP），均可以将报文（保留IP头）通过raw socket机制上送用户进程。
2、ICMP差错报文
对差错报文，内核会解析内层协议，并根据内层协议调用相应的差错处理函数，后者根据原始报文（内层报文）查找socket，若查找失败，则不做任何处理，若成功则进一步处理。
-
icmp_rcv -> icmp_unreach函数代码片段
-
rcu_read_lock();
-
ipprot = rcu_dereference(inet_protos[hash]);
-
if (ipprot && ipprot->err_handler)
-
ipprot->err_handler(skb, info);
-
rcu_read_unlock();
TCP、UDP对应的差错处理函数（err_handler）分别为：tcp_v4_err，udp_err。这里不做介绍，感兴趣的同学可自行研究。而ICMP对应的err_handler指向空。
2.1.4 其他报文
内核注册基于IPv4（3层）的4层处理函数的函数是inet_add_protocol，搜索inet_add_protocol，你会发现内核注册了大量的处理函数，除了常见的TCP、UDP、ICMP，还有IGMP、GRE、AH、ESP等等。这里对这些报文的处理就不做介绍了，各位感兴趣的同学可以自行研究代码。
2.2 转发处理
这里要提一下，路由查找是如何影响报文的处理流程：
若是本地报文，则skb_dst(skb)->input被赋值为ip_local_deliver；
若是转发报文，则skb_dst(skb)->input被赋值为ip_forward；
若是路由失败，则skb_dst(skb)->input被赋值为ip_error；
在ip_rcv_finish最后调用dst_input(skb)，因此上面的函数会被调用。
-
static inline int dst_input(struct sk_buff *skb)
-
{
-
return skb_dst(skb)->input(skb);
-
}
2.2.1 转发流程
这里简单列出来函数的调用关系，感兴趣的同学，可以根据该线索分析代码。
ip_rcv -> ip_rcv_finish -> ip_forward -> ip_forward_finish -> ip_output -> ip_finish_output -> ip_finish_output2 -> 交给ARP模块处理
2.2.2 ARP模块
ARP模块收到上层传递过来的报文（skb）后，会将报文缓存在neigh->arp_queue（skb_dst(skb)->neighbour指向neigh）中，并调用arp_solicit（neigh->ops->solicit指向该函数）发送ARP请求，并等待答复。收到回应报文后，会将学习到的MAC替换缓存skb的目的MAC，并发送出去。这样一个报文就被成功发送了出去。
2.3 路由失败处理
2.2章节中提到，skb_dst(skb)->input被赋值为ip_error，因此ip_error被调用，让我们看看该函数的具体实现：
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static int ip_error(struct sk_buff *skb)
-
{
-
struct rtable *rt = skb_rtable(skb);
-
unsigned long now;
-
int code;
-
-
switch (rt->u.dst.error) {
-
case EINVAL:
-
default:
-
goto out;
-
case EHOSTUNREACH:
-
code = ICMP_HOST_UNREACH;
-
break;
-
case ENETUNREACH:
-
code = ICMP_NET_UNREACH;
-
IP_INC_STATS_BH(dev_net(rt->u.dst.dev),
-
IPSTATS_MIB_INNOROUTES);
-
break;
-
case EACCES:
-
code = ICMP_PKT_FILTERED;
-
break;
-
}
-
-
now = jiffies;
-
rt->u.dst.rate_tokens += now - rt->u.dst.rate_last;
-
if (rt->u.dst.rate_tokens > ip_rt_error_burst)
-
rt->u.dst.rate_tokens = ip_rt_error_burst;
-
rt->u.dst.rate_last = now;
-
if (rt->u.dst.rate_tokens >= ip_rt_error_cost) {
-
rt->u.dst.rate_tokens -= ip_rt_error_cost;
-
icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, code, 0);
-
}
-
-
out: kfree_skb(skb);
-
return 0;
-
}
可以清楚的看到，ip_error回复了一个ICMP 网络不可达的差错报文。
3 总结
本文分析了，Linux作为路由器在收到报文后，可能存在的3种处理流程，分别是：
1）上送本地；
2）转发出去；
3）路由失败，报文被丢弃（回应ICMP差错报文）
这3种处理流程是由路由结果中的skb_dst(skb)->input所决定的。这里再强调一下skb_dst(skb)->input对应3个函数：
1）ip_local_deliver；
2）ip_forward；
3）ip_error；
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