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分类: LINUX

2015-02-06 11:37:25

1、 IP分片
 
   任何IP层接收到一份要发送的IP数据报时,它要判断向本地哪个接口发送数据,并查询该接口的MTU。IP把MTU与数据报的长度进行比较,如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上,也可以发送在中间路由器上。IP数据报分片后,只有到达目的主机后才进行重装。
IP首部与分片有关的字段:
 
(1)对于每份IP数据报来说,都有一个标识字段,该值在分片时被复制到每个片中。
 
(2)标志字段用其中一个bit表示更多的片,除最后一片外,其他每个分片都要设置为1。
 
(3)片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。
 
(4)数据报被分片后,每个片的总长度要改为该片的长度值。
 
(5)标志字段中有一个bit表示不分片,如果该位1,IP将不对数据报进行分片。
   IP报即使丢失一片数据报也要重传整个数据报。为什么呢?因为IP层没有超时重传的机制,必须由更高层负责超时重传。
 
 
总结:
三个字段
    标识字段(ip_id):标识特定数据报的分片
    标志字段(ip_off的3个高位比特)
    偏移字段(ip_off的13个低位比特)
 
几个区别
    普通IP包:ip_off、MF 为 0
    最后一个分片包: ip_off > 0、MF 为 0
    其它分片包:ip_off ≥ 0、MF 为 1
 
2、 数据结构设计
 
链表_FRAG
    结点结构ipfrag,保存一个分片
    作用:保存同属于一个IP包的所有分片数据
    链表中各结点按ip_off由小到大排序
 
链表_IPQ
    结点结构ipq,作为_FRAG的头结点,描述属于同一个IP包的所有分片数据的共同特征
    作用:将目的地址相同的分片组织到一起
 
 
链表_HOSTFRAG
    结点结构hostfrags,作为_IPQ的头结点
    作用:将目的地址不同但hash值相同的分片数据组织到地起
 
hash表fragtable
    实现:struct hostfrags **fragtable
    作用: fragtable[index]为_HOSTFRAG的头结点
 
 
hash表及三个链表之间的关系图
 
3、 分片重组流程
 
  
 
4、 代码及相关注释
 
5、 几个细节
 
5.1 Step 14:在_FRAG链表中插入的位置
代码:
if (next->offset >= offset)
      break;
当prev和next结点都存在时满足的条件
offset? ( prev->offsetnext->offset
隐含意思:当前分片与prev之前的结点无重叠,与prev可能有重叠
 
 
 
5.2 step 15:和prev有重叠,调整当前分片
 
调整前图
 
调整后图
step 15:和prev有重叠,调整当前分片后没有判断当前数据的长度,之后会创建一个无用结点!
 
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Linux Cross Reference
Linux-2.6.17
/net/ipv4/
Version: ~ [ 2.6.16 ] ~ 2.6.17 ] ~ 
Architecture: ~ [  ] ~ i386 ] ~ [  ] ~ [  ] ~ [  ] ~
 1 /*
   * INET         An implementation of the TCP/IP protocol suite for the LINUX
   *              operating system. INET is implemented using the BSD Socket
   *              interface as the means of communication with the user level.
   *
   *              The IP fragmentation functionality.
   *             
   * Version:     $Id: ip_fragment.c,v 1.59 2002/01/12 07:54:56 davem Exp $
   *
   * Authors:     Fred N. van Kempen
   *              Alan Cox
   *
   * Fixes:
   *              Alan Cox        :    Split from ip.c , see ip_input.c for history.
   *              David S. Miller :       Begin massive cleanup...
   *              Andi Kleen      :       Add sysctls.
   *              xxxx            :       Overlapfrag bug.
   *              Ultima          :       ip_expire() kernel panic.
   *              Bill Hawes      :       Frag accounting and evictor fixes.
   *              John McDonald   :       0 length frag bug.
   *              Alexey Kuznetsov:       SMP races, threading, cleanup.
   *              Patrick McHardy :       LRU queue of frag heads for evictor.
   */
 
 /* Add new segment to existing queue. */
 static void ip_frag_queue(struct ipq *qp, struct sk_buff *skb)
 {
         struct sk_buff *prev, *next;
         int flagsoffset;
........................
........................
........................
........................
         /* Find out which fragments are in front and at the back of us
          * in the chain of fragments so far. We must know where to put
          * this fragment, right?
          */
         prev = NULL;
         for(next = qp->fragmentsnext != NULLnext = next->next) {
                 if (FRAG_CB(next)->offset >= offset)
                         break; /* bingo! */
                 prev = next;
         }
         /* We found where to put this one. Check for overlap with
          * preceding fragment, and, if needed, align things so that
          * any overlaps are eliminated.
          */
         if (prev) {
                 int i = (FRAG_CB(prev)->offset + prev->len) - offset;
                 if (i > 0) {
                         offset += i;
                         if (end <= offset)
                                 goto err;
                         if (!pskb_pull(skbi))
                                 goto err;
                         if (skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
                                 skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
                 }
         }
         while (next && FRAG_CB(next)->offset < end) {
                 int i = end - FRAG_CB(next)->offset/* overlap is 'i' bytes */
                 if (i < next->len) {
                         /* Eat head of the next overlapped fragment
                          * and leave the loop. The next ones cannot overlap.
                          */
                         if (!pskb_pull(nexti))
                                 goto err;
                         FRAG_CB(next)->offset += i;
                         qp->meat -= i;
........................
........................
........................
........................
 
 
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5.3 step 18:
    i = end - next->offset
    tmp->len -= i
    tmp->offset += i
    tmp->ptr += i
    和next有重叠时的两种情况:
      1:
      2:
5.4    ipq结构中的特殊成员timer
    作用:描述已经收到的属于同一IP包的所有分片的存活期限
    创建:step 8
    初始设置:step 10
    expires为当前时间+30秒
    function:失效时的处理函数地址
    data:失效时的处理函数的参数,即timer所在的ipq结点首地址
 
 
5.5    ipq结构中的特殊成员timer
    更新:
        所有ipq结点中的timer成员组成一个双向链表_TIMER,链首:timer_head,链尾:timer_tail
        分片链表超时处理 step 1 : 当一个_IPQ链表在30秒内没有再收到分片数据时,放弃重组
        timer的更新step 13 :当收到一个分片时,重新设置失效时间,并将该分片所属ipq中的timer移到_TIMER的尾部
 
 
5.6    分片数据是否可重组的判断
 
    借助ipq结构中的成员变量len
        初始值:0
        更新:仅当收到最后一个分片时才设置len
    判断:
        当ipq.len为0时直接返回
        当收到最后一个分片后才检查_FRAG链表中的各分片是否相连 (ip_done函数中)判断
    代码:
        参tag: zeq_final_frag

好了,有时间了,来看看libnids中IP分片重组的方法吧。

在此之前,如果不懂IP分片技术的话,请参照。IP分片技术比较简单暴力,没有TCP那样复杂复杂的窗口协议。基本上只是暴力的拆分和重组,代码基本在ip_defragment.c中。

先从总体上说说。首先,每个IP(主机)都会有IP分片包(注意是IP,不是IP对)。所以,每个IP都有一个如下的结构体来维护上面的所以IP分片:

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struct hostfrags {
  struct ipq *ipqueue;//这里维护IP碎片队列
  int ip_frag_mem;
  u_int ip;//主机对应的IP地址
  //很明显,下面三行告诉我们,这是哈希表的一个元素
  int hash_index;
  struct hostfrags *prev;
  struct hostfrags *next;
};
//下面这个就是维护所有IP的哈希表了。
static struct hostfrags **fragtable;

每个IP下面又有很多的被分片的IP包——IP碎片队列,IP碎片队列的定义在这:

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/* Describe an entry in the "incomplete datagrams" queue. */
struct ipq {
  unsigned char *mac;        /* pointer to MAC header                */
  struct ip *iph;        /* pointer to IP header                 */
  int len;            /* total length of original datagram    */
  short ihlen;            /* length of the IP header              */
  short maclen;            /* length of the MAC header             */
  struct timer_list timer;    /* when will this queue expire?         */
  struct ipfrag *fragments;    /* linked list of received fragments    */
  struct hostfrags *hf;
  struct ipq *next;        /* linked list pointers                 */
  struct ipq *prev;
  // struct device *dev;    /* Device - for icmp replies */
};

最终的IP碎片的定义在这:

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/* Describe an IP fragment. */
struct ipfrag {
  int offset;            /* offset of fragment in IP datagram    */
  int end;            /* last byte of data in datagram        */
  int len;            /* length of this fragment              */
  struct sk_buff *skb;        /* complete received fragment           */
  unsigned char *ptr;        /* pointer into real fragment data      */
  struct ipfrag *next;        /* linked list pointers                 */
  struct ipfrag *prev;
};

由于libnids中的分片重组代码是从内核中拿出来修改的,所以保留了内核的注释。这里就不多做解释了。

好了步入处理逻辑,照例,先看初始化:

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void
ip_frag_init(int n)
{
  struct timeval tv;
 
  gettimeofday(&tv, 0);
  time0 = tv.tv_sec;
  fragtable = (struct hostfrags **) calloc(n, sizeof(struct hostfrags *));
  if (!fragtable)
    nids_params.no_mem("ip_frag_init");
  hash_size = n;
}

简单到不能再简单——分片了一个主机的哈希表。分完手工。好吧,看重组逻辑:

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//先是判断是否为分片的函数
int
ip_defrag_stub(struct ip *iph, struct ip **defrag)
{
  int offset, flags, tot_len;
  struct sk_buff *skb;
 
  numpack++;
  //先处理超时事件
  timenow = 0;//刷新时间
  while (timer_head && timer_head->expires < jiffies()) {
    this_host = ((struct ipq *) (timer_head->data))->hf;
    timer_head->function(timer_head->data);
  }
 
  //然后计算分片的偏移
  offset = ntohs(iph->ip_off);
  flags = offset & ~IP_OFFSET;
  offset &= IP_OFFSET;
 
  //此包不是分片
  if (((flags & IP_MF) == 0) && (offset == 0)) {
    ip_defrag(iph, 0);
    return IPF_NOTF;
  }
 
  //此包是分片,先申请一个sk_buff把分片的数据保存起来,然后交给defrag函数
  tot_len = ntohs(iph->ip_len);
  skb = (struct sk_buff *) malloc(tot_len + sizeof(struct sk_buff));
  if (!skb)
      nids_params.no_mem("ip_defrag_stub");
  skb->data = (char *) (skb + 1);
  memcpy(skb->data, iph, tot_len);
  skb->truesize = tot_len + 16 + nids_params.dev_addon;
  skb->truesize = (skb->truesize + 15) & ~15;
  skb->truesize += nids_params.sk_buff_size;
 
  //如果集齐了一个ip包的所有分片ip_defrag将返回合并后的ip包,此时返回IPF_NEW,进行下一步的ip包处理
  //否则,返回IPF_ISF,跳过ip包处理
  if ((*defrag = (struct ip *)ip_defrag((struct ip *) (skb->data), skb)))
    return IPF_NEW;
 
  return IPF_ISF;
}
 
/* Process an incoming IP datagram fragment. */
//这里就是分片重组的主要逻辑了
static char *
ip_defrag(struct ip *iph, struct sk_buff *skb)
{
  struct ipfrag *prev, *next, *tmp;
  struct ipfrag *tfp;
  struct ipq *qp;
  char *skb2;
  unsigned char *ptr;
  int flags, offset;
  int i, ihl, end;
 
  //如果是分片,而且host哈希表里还没有对应的host项的话,果断新建一个
  //此处还负责将this_host变量设为当前ip对应的host
  if (!hostfrag_find(iph) && skb)
    hostfrag_create(iph);
 
  /* Start by cleaning up the memory. */
  //内存用太多了,panic之,然后释放当前host分片所用的内存
  if (this_host)
    if (this_host->ip_frag_mem > IPFRAG_HIGH_THRESH)
      ip_evictor();
   
  /* Find the entry of this IP datagram in the "incomplete datagrams" queue. */
  //这里,找到这个ip包对应的ip分片链表
  if (this_host)
    qp = ip_find(iph);
  else
    qp = 0;
 
  /* Is this a non-fragmented datagram? */
  offset = ntohs(iph->ip_off);
  flags = offset & ~IP_OFFSET;
  offset &= IP_OFFSET;
  if (((flags & IP_MF) == 0) && (offset == 0)) {
    if (qp != NULL)
      ip_free(qp);      /* Fragmented frame replaced by full
                   unfragmented copy */
    return 0;
  }
 
  /* ip_evictor() could have removed all queues for the current host */
  if (!this_host)
    hostfrag_create(iph);
 
  offset <<= 3;           /* offset is in 8-byte chunks */
  ihl = iph->ip_hl * 4;
 
  /*
    If the queue already existed, keep restarting its timer as long as
    we still are receiving fragments.  Otherwise, create a fresh queue
    entry.
  */
  //如果当前host下来过此包的碎片
  if (qp != NULL) {
    /* ANK. If the first fragment is received, we should remember the correct
       IP header (with options) */
    if (offset == 0) {
      qp->ihlen = ihl;
      memcpy(qp->iph, iph, ihl + 8);
    }
    del_timer(&qp->timer);
    qp->timer.expires = jiffies() + IP_FRAG_TIME;    /* about 30 seconds */
    qp->timer.data = (unsigned long) qp; /* pointer to queue */
    qp->timer.function = ip_expire;  /* expire function */
    add_timer(&qp->timer);
  }
  //否则新建一个碎片队列
  else {
    /* If we failed to create it, then discard the frame. */
    if ((qp = ip_create(iph)) == NULL) {
      kfree_skb(skb, FREE_READ);
      return NULL;
    }
  }
  /* Attempt to construct an oversize packet. */
  //再大的ip包也不能大过65535啊,一经发现,直接放弃
  if (ntohs(iph->ip_len) + (int) offset > 65535) {
    // NETDEBUG(printk("Oversized packet received from %s\n", int_ntoa(iph->ip_src.s_addr)));
    nids_params.syslog(NIDS_WARN_IP, NIDS_WARN_IP_OVERSIZED, iph, 0);
    kfree_skb(skb, FREE_READ);
    return NULL;
  }
 
  //下面就开始在碎片队列里面找位置了,同时处理好重叠
  //如果有重叠,把重叠的旧的部分去掉
  /* Determine the position of this fragment. */
  end = offset + ntohs(iph->ip_len) - ihl;
 
  /* Point into the IP datagram 'data' part. */
  ptr = (unsigned char *)(skb->data + ihl);
 
  /* Is this the final fragment? */
  if ((flags & IP_MF) == 0)
    qp->len = end;
 
  /*
    Find out which fragments are in front and at the back of us in the
    chain of fragments so far.  We must know where to put this
    fragment, right?
  */
  prev = NULL;
  for (next = qp->fragments; next != NULL; next = next->next) {
    if (next->offset >= offset)
      break;            /* bingo! */
    prev = next;
  }
  /*
    We found where to put this one.  Check for overlap with preceding
    fragment, and, if needed, align things so that any overlaps are
    eliminated.
  */
  if (prev != NULL && offset < prev->end) {
    nids_params.syslog(NIDS_WARN_IP, NIDS_WARN_IP_OVERLAP, iph, 0);
    i = prev->end - offset;
    offset += i;        /* ptr into datagram */
    ptr += i;           /* ptr into fragment data */
  }
  /*
    Look for overlap with succeeding segments.
    If we can merge fragments, do it.
  */
  for (tmp = next; tmp != NULL; tmp = tfp) {
    tfp = tmp->next;
    if (tmp->offset >= end)
      break;            /* no overlaps at all */
    nids_params.syslog(NIDS_WARN_IP, NIDS_WARN_IP_OVERLAP, iph, 0);
     
    i = end - next->offset;  /* overlap is 'i' bytes */
    tmp->len -= i;       /* so reduce size of    */
    tmp->offset += i;        /* next fragment        */
    tmp->ptr += i;
    /*
      If we get a frag size of <= 0, remove it and the packet that it
      goes with. We never throw the new frag away, so the frag being
      dumped has always been charged for.
    */
    if (tmp->len <= 0) {
      if (tmp->prev != NULL)
    tmp->prev->next = tmp->next;
      else
    qp->fragments = tmp->next;
       
      if (tmp->next != NULL)
    tmp->next->prev = tmp->prev;
       
      next = tfp;       /* We have killed the original next frame */
 
      frag_kfree_skb(tmp->skb, FREE_READ);
      frag_kfree_s(tmp, sizeof(struct ipfrag));
    }
  }
  //下面往队列中插入当前碎片
  /* Insert this fragment in the chain of fragments. */
  tfp = NULL;
  tfp = ip_frag_create(offset, end, skb, ptr);
   
  /*
    No memory to save the fragment - so throw the lot. If we failed
    the frag_create we haven't charged the queue.
  */
  if (!tfp) {
    nids_params.no_mem("ip_defrag");
    kfree_skb(skb, FREE_READ);
    return NULL;
  }
  /* From now on our buffer is charged to the queues. */
  tfp->prev = prev;
  tfp->next = next;
  if (prev != NULL)
    prev->next = tfp;
  else
    qp->fragments = tfp;
 
  if (next != NULL)
    next->prev = tfp;
 
  /*
    OK, so we inserted this new fragment into the chain.  Check if we
    now have a full IP datagram which we can bump up to the IP
    layer...
  */
  //查看是不是碎片都搜集齐了,如果齐了,组合成一个大ip包返回
  if (ip_done(qp)) {
    skb2 = ip_glue(qp);     /* glue together the fragments */
    return (skb2);
  }
  return (NULL);
}

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