linux内核sk_buff的结构分析

在内核中sk_buff表示一个网络数据包，它是一个双向链表，而链表头就是sk_buff_head,在老的内核里面sk_buff会有一个list域直接指向sk_buff_head也就是链表头，现在在2.6.32里面这个域已经被删除了。 

而sk_buff的内存布局可以分作3个段，第一个就是sk_buff自身，第二个是linear-data buff,第三个是paged-data buff（也就是skb_shared_info）。 



ok.我们先来看sk_buff_head的结构。它也就是所有sk_buff的头。 

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

    __u32       qlen;
    spinlock_t  lock;
};

这里可以看到前两个域是和sk_buff一致的，而且内核的注释是必须放到最前面。这里的原因是： 

这使得两个不同的结构可以放到同一个链表中，尽管sk_buff_head要比sk_buff小巧的多。另外，相同的函数可以同样应用于sk_buff和sk_buff_head。 

然后qlen域表示了当前的sk_buff链上包含多少个skb。 

lock域是自旋锁。 

然后我们来看sk_buff，下面就是skb的结构： 

我这里注释了一些简单的域，复杂的域下面会单独解释。 

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

//表示从属于那个socket，主要是被4层用到。
    struct sock     *sk;
//表示这个skb被接收的时间。
    ktime_t         tstamp;
//这个表示一个网络设备，当skb为输出时它表示skb将要输出的设备，当接收时，它表示输入设备。要注意，这个设备有可能会是虚拟设备(在3层以上看来)
    struct net_device   *dev;
///这里其实应该是dst_entry类型，不知道为什么内核要改为ul。这个域主要用于路由子系统。这个数据结构保存了一些路由相关信息
    unsigned long       _skb_dst;
#ifdef CONFIG_XFRM
    struct  sec_path    *sp;
#endif
///这个域很重要，我们下面会详细说明。这里只需要知道这个域是保存每层的控制信息的就够了。
    char            cb[48];
///这个长度表示当前的skb中的数据的长度，这个长度即包括buf中的数据也包括切片的数据，也就是保存在skb_shared_info中的数据。这个值是会随着从一层到另一层而改变的。下面我们会对比这几个长度的。
    unsigned int        len,
///这个长度只表示切片数据的长度，也就是skb_shared_info中的长度。
                data_len;
///这个长度表示mac头的长度(2层的头的长度)
    __u16           mac_len,
///这个主要用于clone的时候，它表示clone的skb的头的长度。
                hdr_len;

///接下来是校验相关的域。
    union {
        __wsum      csum;
        struct {
            __u16   csum_start;
            __u16   csum_offset;
        };
    };
///优先级，主要用于QOS。
    __u32           priority;
    kmemcheck_bitfield_begin(flags1);
///接下来是一些标志位。
//首先是是否可以本地切片的标志。
    __u8            local_df:1,
///为1说明头可能被clone。
                cloned:1,
///这个表示校验相关的一个标记,表示硬件驱动是否为我们已经进行了校验(前面的blog有介绍)
                ip_summed:2,
///这个域如果为1,则说明这个skb的头域指针已经分配完毕，因此这个时候计算头的长度只需要head和data的差就可以了。
                nohdr:1,
///这个域不太理解什么意思。
                nfctinfo:3;

///pkt_type主要是表示数据包的类型，比如多播，单播，回环等等。
    __u8            pkt_type:3,
///这个域是一个clone标记。主要是在fast clone中被设置，我们后面讲到fast clone时会详细介绍这个域。
                fclone:2,
///ipvs拥有的域。
                ipvs_property:1,
///这个域应该是udp使用的一个域。表示只是查看数据。
                peeked:1,
///netfilter使用的域。是一个trace 标记
                nf_trace:1;
///这个表示L3层的协议。比如IP,IPV6等等。
    __be16          protocol:16;
    kmemcheck_bitfield_end(flags1);
///skb的析构函数，一般都是设置为sock_rfree或者sock_wfree.
    void            (*destructor)(struct sk_buff *skb);

///netfilter相关的域。
#if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK) || defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MODULE)
    struct nf_conntrack *nfct;
    struct sk_buff      *nfct_reasm;
#endif
#ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER
    struct nf_bridge_info   *nf_bridge;
#endif

///接收设备的index。
    int         iif;

///流量控制的相关域。
#ifdef CONFIG_NET_SCHED
    __u16           tc_index;   /* traffic control index */
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
    __u16           tc_verd;    /* traffic control verdict */
#endif
#endif

    kmemcheck_bitfield_begin(flags2);
///多队列设备的映射，也就是说映射到那个队列。
    __u16           queue_mapping:16;
#ifdef CONFIG_IPV6_NDISC_NODETYPE
    __u8            ndisc_nodetype:2;
#endif
    kmemcheck_bitfield_end(flags2);

    /* 0/14 bit hole */

#ifdef CONFIG_NET_DMA
    dma_cookie_t        dma_cookie;
#endif
#ifdef CONFIG_NETWORK_SECMARK
    __u32           secmark;
#endif
///skb的标记。
    __u32           mark;

///vlan的控制tag。
    __u16           vlan_tci;

///传输层的头
    sk_buff_data_t      transport_header;
///网络层的头
    sk_buff_data_t      network_header;
///链路层的头。
    sk_buff_data_t      mac_header;
///接下来就是几个操作skb数据的指针。下面会详细介绍。
    sk_buff_data_t      tail;
    sk_buff_data_t      end;
    unsigned char       *head,
                *data;
///这个表示整个skb的大小，包括skb本身，以及数据。
    unsigned int        truesize;
///skb的引用计数
    atomic_t        users;
};

我们来看前面没有解释的那些域。 

先来看cb域，他保存了每层所独自需要的内部数据。我们来看tcp的例子。 

我们知道tcp层的控制信息保存在tcp_skb_cb中，因此来看内核提供的宏来存取这个数据结构： 

#define TCP_SKB_CB(__skb)  ((struct tcp_skb_cb *)&((__skb)->cb[0]))

在ip层的话，我们可能会用cb来存取切片好的帧。 

#define FRAG_CB(skb)    ((struct ipfrag_skb_cb *)((skb)->cb))

到这里你可能会问如果我们想要在到达下一层后，还想保存当前层的私有信息怎么办。这个时候我们就可以使用skb的clone了。也就是之只复制sk_buff结构。 

然后我们来看几个比较比较重要的域 len,data,tail,head,end。 

这几个域都很简单，下面这张图表示了buffer从tcp层到链路层的过程中len，head，data，tail以及end的变化，通过这个图我们可以非常清晰的了解到这几个域的区别。 


 

可以很清楚的看到head指针为分配的buffer的起始位置，end为结束位置，而data为当前数据的起始位置，tail为当前数据的结束位置。len就是数据区的长度。 

然后来看transport_header，network_header以及mac_header的变化，这几个指针都是随着数据包到达不同的层次才会有对应的值，我们来看下面的图，这个图表示了当从2层到达3层对应的指针的变化。 


 

这里可以看到data指针会由于数据包到了三层，而跳过2层的头。这里我们就可以得到data起始真正指的是本层的头以及数据的起始位置。 

然后我们来看skb的几个重要操作函数。 

首先是skb_put,skb_push,skb_pull以及skb_reserve这几个最长用的操作data指针的函数。 

这里可以看到内核skb_XXX都还有一个__skb_XXX函数，这是因为前一个只是将后一个函数进行了一个包装，加了一些校验。 

先来看__skb_put函数。 
可以看到它只是将tail指针移动len个位置，然后len也相应的增加len个大小。 

static inline unsigned char *__skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
    unsigned char *tmp = skb_tail_pointer(skb);
    SKB_LINEAR_ASSERT(skb);
///改变相应的域。
    skb->tail += len;
    skb->len  += len;
    return tmp;
}

然后是__skb_push,它是将data指针向上移动len个位置，对应的len肯定也是增加len大小。 

static inline unsigned char *__skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
    skb->data -= len;
    skb->len  += len;
    return skb->data;
}

剩下的两个就不贴代码了，都是很简单的函数，__skb_pull是将data指针向下移动len个位置，然后len减小len大小。__skb_reserve是将整个数据区，也就是data以及tail指针一起向下移动len大小。这个函数一般是用来对齐地址用的。 

看下面的图，描述了4个函数的操作： 


 

接着是skb的alloc函数。 

在内核中分配一个skb是在__alloc_skb中实现的，接下来我们就来看这个函数的具体实现。 

这个函数起始可以看作三部分，第一部分是从cache中分配内存，第二部分是初始化分配的skb的相关域。第三部分是处理fclone。 

还有一个要注意的就是这里__alloc_skb是被三个函数包装后才能直接使用的，我们只看前两个，一个是skb_alloc_skb,一个是alloc_skb_fclone函数，这两个函数传递进来的第三个参数，也就是fclone前一个是0,后一个是1. 

那么这个函数是什么意思呢，它和alloc_skb有什么区别的。 

这个函数可以叫做Fast SKB cloning函数，这个函数存在的主要原因是，以前我们每次skb_clone一个skb的时候，都是要调用kmem_cache_alloc从cache中alloc一块新的内存。而现在当我们拥有了fast clone之后，通过调用alloc_skb_fclone函数来分配一块大于sizeof(struct sk_buff)的内存，也就是在这次请求的skb的下方多申请了一些内存，然后返回的时候设置返回的skb的fclone标记为SKB_FCLONE_ORIG，而多申请的那块内存的sk_buff的fclone为SKB_FCLONE_UNAVAILABLE，这样当我们调用skb_clone克隆这个skb的时候看到fclone的标记就可以直接将skb的指针+1,而不需要从cache中取了。这样的话节省了一次内存存取，提高了clone的效率，不过调用flcone 一般都是我们确定接下来这个skb会被clone很多次。 

更详细的fclone的介绍可以看这里： 



这样我们先来看_alloc_skb,然后紧接着看skb_clone,这样就能更好的理解这些。 

这里fclone的多分配的内存部分，没太弄懂从那里多分配的，自己对内核的内存子系统还是不太熟悉。觉得应该是skbuff_fclone_cache中会自动多分配些内存。 

struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
                int fclone, int node)
{
    struct kmem_cache *cache;
    struct skb_shared_info *shinfo;
    struct sk_buff *skb;
    u8 *data;

///这里通过fclone的值来判断是要从fclone cache还是说从head cache中取。
    cache = fclone ? skbuff_fclone_cache : skbuff_head_cache;

///首先是分配skb，也就是包头。
    skb = kmem_cache_alloc_node(cache, gfp_mask & ~__GFP_DMA, node);
    if (!skb)
        goto out;
///首先将size对齐，这里是按一级缓存的大小来对齐。
    size = SKB_DATA_ALIGN(size);
///然后是数据区的大小，大小为size+ sizeof(struct skb_shared_info的大小。
    data = kmalloc_node_track_caller(size + sizeof(struct skb_shared_info),
            gfp_mask, node);
    if (!data)
        goto nodata;

///初始化相关域。
    memset(skb, 0, offsetof(struct sk_buff, tail));
///这里truesize可以看到就是我们分配的整个skb+data的大小
    skb->truesize = size + sizeof(struct sk_buff);
///users加一。
    atomic_set(&skb->users, 1);
///一开始head和data是一样大的。
    skb->head = data;
    skb->data = data;
///设置tail指针
    skb_reset_tail_pointer(skb);
///一开始tail也就是和data是相同的。
    skb->end = skb->tail + size;
    kmemcheck_annotate_bitfield(skb, flags1);
    kmemcheck_annotate_bitfield(skb, flags2);
#ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
    skb->mac_header = ~0U;
#endif

///初始化shinfo,这个我就不介绍了，前面的blog分析切片时，这个结构很详细的分析过了。
    shinfo = skb_shinfo(skb);
    atomic_set(&shinfo->dataref, 1);
    shinfo->nr_frags  = 0;
    shinfo->gso_size = 0;
    shinfo->gso_segs = 0;
    shinfo->gso_type = 0;
    shinfo->ip6_frag_id = 0;
    shinfo->tx_flags.flags = 0;
    skb_frag_list_init(skb);
    memset(&shinfo->hwtstamps, 0, sizeof(shinfo->hwtstamps));

///fclone为1,说明多分配了一块内存，因此需要设置对应的fclone域。
    if (fclone) {
///可以看到多分配的内存刚好在当前的skb的下方。
        struct sk_buff *child = skb + 1;
        atomic_t *fclone_ref = (atomic_t *) (child + 1);

        kmemcheck_annotate_bitfield(child, flags1);
        kmemcheck_annotate_bitfield(child, flags2);
///设置标记。这里要注意，当前的skb和多分配的skb设置的fclone是不同的。
        skb->fclone = SKB_FCLONE_ORIG;
        atomic_set(fclone_ref, 1);

        child->fclone = SKB_FCLONE_UNAVAILABLE;
    }
out:
    return skb;
nodata:
    kmem_cache_free(cache, skb);
    skb = NULL;
    goto out;
}

下图就是alloc_skb之后的skb的指针的状态。这里忽略了fclone。 

 


然后我们来看skb_clone函数，clone的意思就是只复制skb而不复制data域。 

这里它会先判断将要被clone的skb的fclone段，以便与决定是否重新分配一块内存来保存skb。 

然后调用__skb_clone来初始化相关的域。 

struct sk_buff *skb_clone(struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask)
{
    struct sk_buff *n;

///n为skb紧跟着那块内存，这里如果skb是通过skb_fclone分配的，那么n就是一个skb。
    n = skb + 1;
///skb和n的fclone都要符合要求，可以看到这里的值就是我们在__alloc_skb中设置的值。
    if (skb->fclone == SKB_FCLONE_ORIG &&
        n->fclone == SKB_FCLONE_UNAVAILABLE) {
///到这里，就说明我们不需要alloc一个skb，直接取n就可以了，并且设置fclone的标记。并修改引用计数。
        atomic_t *fclone_ref = (atomic_t *) (n + 1);
        n->fclone = SKB_FCLONE_CLONE;
        atomic_inc(fclone_ref);
    } else {

///这里就需要从cache中取得一块内存。
        n = kmem_cache_alloc(skbuff_head_cache, gfp_mask);
        if (!n)
            return NULL;

        kmemcheck_annotate_bitfield(n, flags1);
        kmemcheck_annotate_bitfield(n, flags2);
///设置新的skb的fclone域。这里我们新建的skb，没有被fclone的都是这个标记。
        n->fclone = SKB_FCLONE_UNAVAILABLE;
    }

    return __skb_clone(n, skb);
}

这里__skb_clone就不介绍了，函数就是将要被clone的skb的域赋值给clone的skb。 

下图就是skb_clone之后的两个skb的结构图： 

 

当一个skb被clone之后，这个skb的数据区是不能被修改的，这就意为着，我们存取数据不需要任何锁。可是有时我们需要修改数据区，这个时候会有两个选择，一个是我们只修改linear段，也就是head和end之间的段，一种是我们还要修改切片数据，也就是skb_shared_info. 

这样就有两个函数供我们选择，第一个是pskb_copy,第二个是skb_copy. 

我们先来看pskb_copy,函数先alloc一个新的skb，然后调用skb_copy_from_linear_data来复制线性区的数据。 

struct sk_buff *pskb_copy(struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask)
{
    /*
     *  Allocate the copy buffer
     */
    struct sk_buff *n;
#ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
    n = alloc_skb(skb->end, gfp_mask);
#else
    n = alloc_skb(skb->end - skb->head, gfp_mask);
#endif
    if (!n)
        goto out;

    /* Set the data pointer */
    skb_reserve(n, skb->data - skb->head);
    /* Set the tail pointer and length */
    skb_put(n, skb_headlen(skb));
///复制线性数据段。
    skb_copy_from_linear_data(skb, n->data, n->len);
///更新相关域
    n->truesize += skb->data_len;
    n->data_len  = skb->data_len;
    n->len        = skb->len;

///下面只是复制切片数据的指针
if (skb_shinfo(skb)->nr_frags) {
        int i;

        for (i = 0; i < skb_shinfo(skb)->nr_frags; i++) {
            skb_shinfo(n)->frags[i] = skb_shinfo(skb)->frags[i];
            get_page(skb_shinfo(n)->frags[i].page);
        }
        skb_shinfo(n)->nr_frags = i;
    }

...............................
    copy_skb_header(n, skb);
out:
    return n;
}

然后是skb_copy,它是复制skb的所有数据段，包括切片数据： 

struct sk_buff *skb_copy(const struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask)
{
    int headerlen = skb->data - skb->head;
    /*
     *  Allocate the copy buffer
     */
//先alloc一个新的skb
    struct sk_buff *n;
#ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
    n = alloc_skb(skb->end + skb->data_len, gfp_mask);
#else
    n = alloc_skb(skb->end - skb->head + skb->data_len, gfp_mask);
#endif
    if (!n)
        return NULL;

    /* Set the data pointer */
    skb_reserve(n, headerlen);
    /* Set the tail pointer and length */
    skb_put(n, skb->len);
///然后复制所有的数据。
    if (skb_copy_bits(skb, -headerlen, n->head, headerlen + skb->len))
        BUG();

    copy_skb_header(n, skb);
    return n;
}

下面这张图就表示了psb_copy和skb_copy调用后的内存模型，其中a是pskb_copy,b是skb_copy: 


 


最后来看skb的释放： 
这里主要是判断一个引用标记位users,将它减一，如果大于0则直接返回，否则释放skb。 

void kfree_skb(struct sk_buff *skb)
{
    if (unlikely(!skb))
        return;
    if (likely(atomic_read(&skb->users) == 1))
        smp_rmb();
///减一，然后判断。
    else if (likely(!atomic_dec_and_test(&skb->users)))
        return;
    trace_kfree_skb(skb, __builtin_return_address(0));
    __kfree_skb(skb);
}