Linux网络代码导读

1 前言
许多人在分析Linux代码时对网络部分（主要是src/linux/net，src/linux/include/net及src/linux/include/linux目录下的文件）比较感兴趣，确实，尽管已经从书本上学到了大量的TCP/IP原理，不读源码的话，头脑中还是建立不起具体的印象。而分析这部分代码的一个问题便是代码众多而资料很少。这篇文章的目的就是勾勒出一个框架，让读者能够大致能够了解TCP/IP究竟是怎么工作的。以前见到的许多代码分析都是基于2.0内核的，在新的内核中许多函数变了名字，这尤其给初学者带来了困难，本文是以2.4.0-test9的代码作例子，这样对照代码时可能更清晰些。

其实网络部分的代码我只对防火墙部分一行行仔细分析过，其他许多地方也只是一知半解，如果理解有误，欢迎指正。

2 正文

ISO的七层模型都非常熟悉了，当然，对于internet,用四层模型更为适合。在这两份模型里，网络协议以层次的形式出现。而LINUX的内核代码中，严格分出清楚的层次却比较困难，因为除了一些"内核线程(kernel thread外)"，整个内核其实是个单一的进程。因此所谓"网络层",只是一组相关的函数，而各层之间大多通过一般的函数调用的方式完成交互。

而从逻辑上，网络部分的代码更应该这样分层更为合理：
.BSD socket层：这一部分处理BSD socket相关操作，每个socket在内核中以struct socket结构体现。
这一部分的文件主要有：/net/socket.c /net/protocols.c etc

.INET socket层：BSD socket是个可以用于各种网络协议的接口，而当用于tcp/ip，即建立了AF_INET形式的socket时，还需要保留些额外的参数，于是就有了struct sock结构。
文件主要有：/net/ipv4/protocol.c /net/ipv4/af_inet.c /net/core/sock.c etc

.TCP/UDP层：处理传输层的操作，传输层用struct inet_protocol和struct proto两个结构表示。
文件主要有：/net/ipv4/udp.c /net/ipv4/datagram.c /net/ipv4/tcp.c /net/ipv4/tcp_input.c
/net/ipv4/tcp_output.c /net/ipv4/tcp_minisocks.c /net/ipv4/tcp_output.c 
/net/ipv4/tcp_timer.c etc

.IP层：处理网络层的操作，网络层用struct packet_type结构表示。
文件主要有：/net/ipv4/ip_forward.c ip_fragment.c ip_input.c ip_output.c etc.

.数据链路层和驱动程序：每个网络设备以struct net_device表示，通用的处理在dev.c中，
驱动程序都在/driver/net目录下。

网络部分还有很多其他文件，如防火墙，路由等，一般根据看到名字便能猜测出相应的处理，此处不再赘述。

现在我要给出一张表，全文的内容就是为了说明这张表（如果你觉得我在文章中的语言比较乏味，尽可抛掉他们，结合这张表自己看代码）。在我最初看网络部分代码时，比较喜欢《linux kernel internals》的第八章的一段，其中有一个进程A通过网络远程向另一进程B发包的例子，详细介绍了一个数据包如何从网络堆栈中走过的过程。我觉得这样可以更迅速的帮助读者看清森林的全貌，因此本文参照这种结构来叙述。

^
| sys_read fs/read_write.c
| sock_read net/socket.c
| sock_recvmsg net/socket.c
| inet_recvmsg net/ipv4/af_inet.c
| udp_recvmsg net/ipv4/udp.c
| skb_recv_datagram net/core/datagram.c
| -------------------------------------------
| sock_queue_rcv_skb include/net/sock.h
| udp_queue_rcv_skb net/ipv4/udp.c
| udp_rcv net/ipv4/udp.c
| ip_local_deliver_finish net/ipv4/ip_input.c
| ip_local_deliver net/ipv4/ip_input.c
| ip_recv net/ipv4/ip_input.c
| net_rx_action net/dev.c
| -------------------------------------------
| netif_rx net/dev.c
| el3_rx driver/net/3c309.c
| el3_interrupt driver/net/3c309.c

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

| sys_write fs/read_write.c
| sock_writev net/socket.c 
| sock_sendmsg net/socket.c
| inet_sendmsg net/ipv4/af_inet.c
| udp_sendmsg net/ipv4/udp.c
| ip_build_xmit net/ipv4/ip_output.c
| output_maybe_reroute net/ipv4/ip_output.c
| ip_output net/ipv4/ip_output.c
| ip_finish_output net/ipv4/ip_output.c
| dev_queue_xmit net/dev.c
| --------------------------------------------
| el3_start_xmit driver/net/3c309.c
V

我们假设的环境如下：有两台主机通过互联网联在一起，其中一台机子运行这一个进程A，另外一台运行进程B，进程A将向进程B发出一条信息，比如"Hello",而B接受此信息。
TCP处理本身非常复杂，为了便于叙述，在后面我们将用UDP作为例子。

2.1 建立套接字

在数据发送之前，要建立一个套接字（socket）,在两边的程序中都会调用如下语句：

...
int sockfd;
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...

这是个系统调用，因此会通过0x80中断进入系统内核，调用内核中的相应函数.当寻找系统调用在内核中的对应流程时，一般前面加入"sys_"再找就是了，如对fork来说，就是调用sys_fork。但是socket相关调用有些特殊，所有的这类调用都是通过一个入口，即sys_socketcall进入系统内核，然后再通过参数调用具体的sys_socket,socket_bind等函数。

sys_socket会调用sock_create产生一个struct socket结构（见include/linux/net.h），每个套接字在内核中都有一个这样的结构对应，在初始化了此结构的一些通用成员后（如分配inode，根据第二个参数为type项赋值等），会根据其一个参数作响应的调度，即这一句：
...
net_families[family]->create(sock, protocol);
...

我们的程序的第一个参数是AF_INET，所以此函数指针会指向inet_create（）；（net_families是个数组，保留了网络协议族（net families）的信息，而这些协议族用sock_register加载。）

在struct socket结构结构中最重要的信息保留在struct sock结构中，这个结构在网络代码中经常使用，建议把它和其他常见结构（如struct sk_buff）打印出来放在手边。在inet_create会为此结构分配内存，并根据套接字类型（其实就是socket函数的第二个参数），作各自不同的初始化：
...
if (sk->prot->init) 
sk->prot->init(sk);
...

如果类型是SOCK_STREAM的话会调用tcp_v4_init_sock，而SOCK_DGRAM类型的socket没有额外的初始化了，到此socket调用结束。

还有一个值得注意的地方是当inet_create（）调用完后，会接着调用sock_map_fd函数，这个函数中会为套接字分配一个文件描述符并分配一个file文件。在应用层便可象处理文件一样处理套接字了。

开始的时候可能有些流程难以跟下去，主要便是这些函数指针的实际指向会根据类型变化。

2.2 发送数据

当进程A想发送数据时，程序中会调用如下语句(如果用sendto函数的话会走类似的流程，略)：
...
write(sockfd,"Hello",strlen("Hello"));
...

write在内核中对应的函数就是sys_write，此函数首先根据文件描述符找到struct file结构，如果此文件存在（file指针非空）且可写（file->f_mode & FMODE_WRITE为true），便调用此文件结构的写操作：
...
if (file->f_op && (write = file->f_op->write) != NULL)
ret = write(file, buf, count, &file->f_pos);
...

其中f_op是个struct file_operations结构指针，在sock_map_fd中将其指向socket_file_ops，其定义如下（/net/socket.c）：
static struct file_operations socket_file_ops = {
llseek: sock_lseek,
read: sock_read,
write: sock_write,
poll: sock_poll,
ioctl: sock_ioctl,
mmap: sock_mmap,
open: sock_no_open, /* special open code to disallow open via /proc */
release: sock_close,
fasync: sock_fasync,
readv: sock_readv,
writev: sock_writev
};

此时wirte函数指针显然指向了sock_write，我们跟下去看,此函数将一个字符串缓冲整理成struct msghdr，最后调用了sock_sendmsg.

sock_sendmsg中的scm_send我不了解（scm是Socket level control messages的简写），好在它也不是很关键，我们注意到这句：
...
sock->ops->sendmsg(sock, msg, size, &scm);
...

又是个函数指针，sock->ops在inet_create（）函数中被初始化，由于我们我们是UDP的套接字，sock->ops指向了inet_dgram_ops（即sock->ops = &inet_dgram_ops;），其定义在net/ipv4/Af_inet.c中：
struct proto_ops inet_dgram_ops = {
family: PF_INET,

release: inet_release,
bind: inet_bind,
connect: inet_dgram_connect,
socketpair: sock_no_socketpair,
accept: sock_no_accept,
getname: inet_getname, 
poll: datagram_poll,
ioctl: inet_ioctl,
listen: sock_no_listen,
shutdown: inet_shutdown,
setsockopt: inet_setsockopt,
getsockopt: inet_getsockopt,
sendmsg: inet_sendmsg,
recvmsg: inet_recvmsg,
mmap: sock_no_mmap,
};

因此我们要看得便是inet_sendmsg（）函数了，而马上，这个函数又通过函数指针调用了另一函数：
...
sk->prot->sendmsg(sk, msg, size);
...

我们不得不再次寻找其具体指向。看到这里，说点题外话，怎么才能找到其具体定义呢？我一般是这样:对上例而言，sk是个struct sock结构，到其定义（linux/net/sock.h中）出看到prot是个struct proto结构，此时我们便在源代码树中寻找所有此结构的实例（这些诸如跳到定义，寻找引用等工作在source insight中实在太方便快速了^_^）,很快便会发现诸如udp_prot，tcp_prot，raw_prot等，猜测是用了udp_prot,便再找一下它在源代码中的引用情况，果然发现在inet_create中有这么一句：
...
prot=&udp_prot;
...

其实如果前面看inet_create函数时仔细一点会早点发现了，但我总没有这么细心:)。

我们顺着udp_sendmsg往下走：
在这个函数的主要作用是填充UDP头（源端口，目的端口等），接着调用了
ip_route_output，作用是查找出去的路由，而后：
...
ip_build_xmit(sk,
(sk->no_check == UDP_CSUM_NOXMIT ?
udp_getfrag_nosum :
udp_getfrag),
&ufh, ulen, &ipc, rt, msg->msg_flags);
...

ip_build_xmit函数的很大比例是生成sk_buff,并为数据包加入IP头。
后面有这么一句：
...
NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT, skb, NULL, rt->u.dst.dev,output_maybe_reroute);
...

简单的说，在没有防火墙代码干预的情况下，你可以将此处理解为直接调用output_maybe_reroute，（具体可参看绿盟月刊14期中的《内核防火墙netfilter入门 》）
而output_maybe_reroute中只有一句：
return skb->dst->output(skb);

依旧照上面的方法（不过这个确实不太好找），发现其实这个指针是在ip_route_output中指定的，（提示：ip_route_output_slow中：rth->u.dst.output=ip_output;）,ip_route_output的作用便是查找路由，并将结果记录到skb->dst中。

于是，我们开始看ip_output函数了，而它马上又走向了ip_finish_output～～。
每个网络设备，如网卡，在内核中由一个net_device表示，在ip_finish_output中找到其用到的设备（也是在ip_route_output中初始化的），这个参数在会传给netfilter在NF_IP_POST_ROUTING点登记的函数，结束后调用ip_finish_output2，而这个函数中又会调用：
...
hh->hh_output(skb);
...

闲话少叙，实际调用了dev_queue_xmit，到此我们完成了TCP/IP层的工作，开始数据链路层的处理。

在做了一些判断之后，实际的调用是这句：
...
dev->hard_start_xmit(skb, dev);
...

这个函数是在网卡的驱动程序中定义的，每个不同的网卡有不同的处理，我的网卡是比较通用的3c509（其驱动程序是3c509.c),在网卡处理化的时候（el3_probe），有：
...
dev->hard_start_xmit = &el3_start_xmit;
...

再往下便是IO操作，将数据包真正的发到网络上去，至此发送过程结束。

中间我说的有些草率，完全没顾的上中间的如出错，阻塞，分片等特殊处理，只是将理想的过程描述出来。
这篇短文的目的也只是帮助大家建立个大致的印象，其实每个地方的都有非常复杂的处理（尤其是TCP部分）。

2.3 接受数据

当有数据到达网卡的时候，会产生一个硬件中断，然后调用网卡驱动程序中的函数来处理，对我的3c509网卡来说，其处理函数为：el3_interrupt。（相应的IRQ号是在系统启动，网卡初始化时通过request_irq函数决定的。）这个中断处理程序首先要做的当然就是进行一些IO操作将数据读入（读IO用inw函数），当数据帧成功接受后，执行el3_rx(dev)进一步处理。

在el3_rx中，收到的数据报会被封装成struct sk_buff，并脱离驱动程序，转到通用的处理函数netif_rx（dev.c）中。为了CPU的效率，上层的处理函数的将采用软中断的方式激活，netif_rx的一个重要工作就是将传入的sk_buff放到等候队列中，并置软中断标志位，然后便可放心返回，等待下一次网络数据包的到来：
...
__skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue,skb);
__cpu_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ);
...

这个地方在2.2内核中一直被称为"底半"处理--bottom half,其内部实现基本类似，目的是快速的从中断中返回。

过了一段时间后，一次CPU调度会由于某些原因会发生（如某进程的时间片用完）。在进程调度函数即schedule()中，会检查有没有软中断发生，若有则运行相应的处理函数:
...
if (softirq_active(this_cpu) & softirq_mask(this_cpu))
goto handle_softirq;
handle_softirq_back:
...
...
handle_softirq:
do_softirq();
goto handle_softirq_back;
...

在系统初始化的时候，具体说是在net_dev_init中，此软中断的处理函数被定为net_rx_action：
...
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL);
...

当下一次进程调度被执行的时候，系统会检查是否发生NET_TX_SOFTIRQ软中断，若有则调用net_rx_action。

net_tx_action函数既是2.2版本中的net_bh函数,在内核中有两个全局变量用来登记网络层的，一个是链表ptype_all，另外一个是数组ptype_base[16]，他们记载了所有内核能够处理的第三层（按照OSI7层模型）协议。每个网络层的接收处理由一个
struct packet_type表示，而这个结构将通dev_add_pack函数将他们登记到ptype_all或ptype_base中。只有packet_type中的type项为ETH_P_ALL时，才会登记到ptype_all链表中，否则如ip_packet_type，会在数组ptype_base[16]找到相应的位置。两者不同点是如果是以ETH_P_ALL类型登记,那么处理函数会受到所有类型的包，否则只能处理自己登记的类型的。

skb->protocol是在el3_rx中赋值的，其实就是以太帧头信息中提取出的上层协议名，对于我们的例子来说，这个值是ETH_P_IP，所以在net_tx_action中，会选择IP层的接收处理函数，而从ip_packet_type 不难看出，这个函数便是ip_recv（）。
pt_prev->func（实际指向ip_recv）前面有一个atomic_inc(&skb->users)操作（在2.2内核中这个地方是一句skb_clone，原理类似），目的是增加这个sk_buff的引用数。网络层的接收函数在处理完或因为某些原因要丢弃此sk_buff时（如防火墙）会调用kfree_skb，而kfree_skb中首先会检查是否还有其他地方需要此函数，如果没有地方再用，才真正释放此内存（__kfree_skb），否则只是计数器减一。

现在我们便来看看ip_recv（net/ipv4/ip_input.c）。这个函数的操作是非常清晰的:首先检查这个包的合法性（版本号，长度，校验和等是否正确），如果合法则进行接下来的处理。在2.4内核中，为了灵活处理防火墙代码，将原来的一个ip_recv分成了两部分，即将将原来的的ip_recv的后半段独立出一个ip_rcv_finish函数。在ip_rcv_finish中，一部分是带有IP选项（如源路由等）的IP包，例外就是通过ip_route_input查找路由，并将结果记录到skb->dst中。此时接收到的包有两种，发往本地进程（需要传往上层协议）或转发（用作网关时），此时需要的处理函数也不相同，如果传往本地，则调用ip_local_deliver(/net/ipv4/ip_input.c),否则调用ip_forward(/net/ipv4/ip_forward.c).skb->dst->input这个函数指针会将数据报领上正确的道路。

对我们的例子而言，此时应该是调用ip_local_deliver的时候了。
发来的包很有可能是碎片包，这样的话则首先应该把它们组装好再传给上层协议，这当然也是ip_local_deliver函数所做的第一份工作，如果组装成功（返回的sk_buff不为空），则继续处理（详细的组装算法可参见绿盟月刊13期中的《IP分片重组的分析和常见碎片攻击》）。
但此时代码又被netfilter一分为二了，象前面一样，我们直接到后半段，即ip_local_deliver_finish(/net/ipv4/ip_input.c)中去。

传输层（如TCP,UDP，RAW）的处理被登记到了inet_protos中（通过inet_add_protocol）。ip_local_deliver_finish会根据IP头信息中的上层协议信息（即iph->protocol），调用相应的处理函数。为了简便，我们采用了udp,此时的ipprot->handler实际便是udp_rcv了。

前面已经提到，在应用程序中建立的每个socket在内核中有一个struct socket/struct sock对应。udp_rcv会通过udp_v4_lookup首先找到在内核中的sock,然后将其作参数调用udp_queue_rcv_skb（/net/ipv4/udp.c）。马上，sock_queue_rcv_skb函数被调用，此函数将sk_buff放入等待队列，然后通知上层数据到达：
...
kb_set_owner_r(skb, sk);
skb_queue_tail(&sk->receive_queue, skb);
if (!sk->dead)
sk->data_ready(sk,skb->len);
return 0;
...

sk->data_ready的定义在sock结构初始化的时候（sock_init_data）：
...
sk->data_ready=sock_def_readable;
...

现在我们便要从上往下看起了：
进程B要接收数据报，在程序里调用：
...
read(sockfd,buff,sizeof(buff));
...

此系统调用在内核中的函数是sys_read(fs/read_write.c)以下的处理类似write的操作，不再详述.udp_recvmsg函数会调用skb_recv_datagram，如果数据还没有到达，且socket设为阻塞模式时，进程会挂起（signal_pending(current)），直到data_ready通知进程资源得到满足后继续处理（wake_up_interruptible(sk->sleep);）。

2.4 skbuff

网络代码中有大量的处理涉及对sk_buff的操作，尽管此文中尽量将其回避了，但在仔细分析的时候则必须对此作分析，数据包在网络协议层是以sk_buff的形式传送处理的，可以说它是网络部分最重要的数据结构。具体分析建议参看alan cox的《Network Buffers And Memory Management》，这篇发表在1996年10月的linux journal上。

这里引用phrack 55-12期中的一幅图,尽管它只描绘了sk_buff的极小的一个侧面，但却非常有用，尤其是当你像我一样总忘记了skb_put是向前还是向后调指针的时候：）

linux网络层效率：在linux的网络层代码中指针被大量应用，其目的就是避免数据拷贝这类耗费系统资源的操作。一个数据包的数据段部分在读入或发出时只经过两次拷贝，即从网卡中考到核心态内存，和从核心态内存考到用户态内存。前些天看到，在一些提高sniffer抓包效率的尝试中，turbo packet(一个内核补丁)采用了核心态和
用户态共享一段内存的办法，又减少了一次数据拷贝，进一步提高了效率。

3 后记：
这次的投稿又是到了最后关头仓促写出来的，看着里面拙劣的文笔，实在觉得有点对不住观众～～如果有时间我会把这部分好好重写的，其实这也是我一直的愿望：）

4 参考文献：

[1.] phrack 55-12期
[2.] 2nd Edition
[3.] Network Buffers And Memory Management Alan Cox

[4.] 浙大源码分析报告《Linux网络设备分析》潘纲 
[5.] Linux IP Networking--A Guide to the Implementation and Modification of theLinux Poptocol Stack
Glenn Herrin May 31,2000