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zdsq_0615

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sk_buff详细分析

分类： LINUX

2015-03-04 14:23:32

主要源文件：linux-2.6.37/ include/ linux/ skbuff.h

                        linux-2.6.37/ include/ linux/ skbuff.c

  一些相关数据结构

[java]
  1. 在include/linux/ktime.h中，  
  2. union ktime {  
  3.         s64 tv64 ;  
  4. #if BITS_PER_LONG != 64 && !defined(CONFIG_KTIME_SCALAR)  
  5.         struct {  
  6. # ifdef __BIG_ENDIAN  
  7.         s32 sec , nsec ;  
  8. #else  
  9.         s32 nsec , sec ;  
  10. #endif  
  11.         } tv ;  
  12. #endif  
  13. } ;  
  14.   
  15. typedef union ktime ktime_t ;  
  16.    
  17.  struct sk_buff_head {  
  18.  /* These two members must be first. */  
  19.         struct sk_buff *next;  
  20.         struct sk_buff *prev;   
  21.         __u32  qlen;  
  22.         spinlock_t lock;  
  23. };  
  24.    
  25. /* 关于sk_buff_data_t */  
  26. # if BITS_PER_LONG > 32  
  27. # define NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET 1  
  28. # endif  
  29.   
  30. # ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET  
  31. typedef unsigned int sk_buff_data_t ;  
  32. # else   
  33. typedef unsigned char *sk_buff_data_t ;  
  34. #endif  


 ==================================================================================================

sk_buff结构体

[java]
  1. /* struct sk_buff - socket buffer */  
  2. struct sk_buff {  
  3.         /* These two members must be first */  
  4.         struct sk_buff *next ; /* Next buffer in list */  
  5.         struct sk_buff *prev ; /* Previous buffer in list */  
  6.   
  7.         ktime_t tstamp ; /* Time we arrived，记录接收或发送报文的时间戳*/  
  8.   
  9.         struct sock *sk ; /* Socket we are owned by */  
  10.   
  11.         /* Device we arrived on / are leaving by 
  12.          * 通过该设备接收或发送，记录网络接口的信息和完成操作 
  13.           */  
  14.         struct net_device *dev ;  
  15.   
  16.         /* This is the control buffer. It is free to use for every 
  17.          * layer. Please put your private variables there. 
  18.          */  
  19.         char cb[48] __aligned (8) ;  
  20.         ...  
  21.         /* data_len为分页数据所包含的全部报文长度 
  22.           * len为某时刻的报文总长度 
  23.           * 那么，线性数据的长度为：skb->len - skb->data_len 
  24.         */  
  25.         unsigned int len , data_len ;  
  26.   
  27.         /* 保存了下一个协议层的信息，在处理报文时由当前协议层设置 */  
  28.         __be16 protocol ;   
  29.         ...  
  30.         /* head指向线性数据区的开始 
  31.          * data指向驻留线性数据区中数据的起始位置 
  32.          */  
  33.         unsigned char *head , *data ;  
  34.         ...  
  35.         /* 协议头表示 */  
  36.         sk_buff_data_t  transport_header ; /* 传输层协议头 */  
  37.         sk_buff_data_t  network_header ; /* 网络层协议头 */  
  38.         sk_buff_data_t  mac_header ; /* 链路层协议头 */  
  39.   
  40.         sk_buff_data_t tail ; /* 指向驻留在线性数据区的最后一字节数据*/  
  41.         sk_buff_data_end ; /* 指向线性数据区的结尾，确保不超出可用存储缓冲区 */  
  42.         atomic_t users ; /* 引用该sk_buff的数量*/  
  43.   
  44.         /* 该缓冲区所分配的总内存，包括sk_buff结构大小 + 数据块大小 (应该不包括分页大小?)*/  
  45.         unsigned int truesize ;  
  46. }  
  47.   
  48. /* This data is invariant across clones and lives at  
  49.  * the end of the header data, ie. at skb->end. 
  50.  */  
  51. struct skb_shared_info {  
  52.         /* number of fragments belonged to this sk_buff  
  53.          * 此sk_buff分页段的数目，它表示frags[]数组的元素数量，该数组包含sk_buff的分页数据 
  54.           */  
  55.         unsigned short nr_frags;   
  56.   
  57.         ...  
  58.   
  59.         /* 指向其分段列表，此sk_buff的总长度为frag_list链表中每个分段长度(skb->len)的和， 
  60.           * 再加上原始的sk_buff的长度 
  61.           * 通过此域可进行报文分段！！ 
  62.           */  
  63.         struct sk_buff *frag_list ;  
  64.   
  65.         /*  
  66.          * Warning : all fields before dataref are cleared in __alloc_skb() 
  67.          * 此sk_buff被引用的次数 
  68.           */  
  69.         atomic_t dataref ;  
  70.   
  71.         /*  
  72.          * must be last field 
  73.          * 分段的数组，包含sk_buff的分页数据 
  74.           */  
  75.          skb_frag_t frags[MAX_SKB_FRAGS] ;  
  76. }  
  77.   
  78. /* To allow 64K frame to be packed as single skb without frag_list  
  79.  * 允许小于64K的数据不用分段，即不适用frag_list 
  80.  */  
  81. #define MAX_SKB_FRAGS (65536 / PAGE_SIZE + 2 )  
  82.   
  83. typedef struct skb_frag_struct skb_frag_t ;  
  84. struct skb_frag_struct {  
  85.         struct page *page ; /* 该页的虚拟地可用page_address()得到*/  
  86.   
  87. #if (BITS_PER_LONG > 32) || (PAGE_SIZE >= 65536)  
  88.         __u32 page_offset ;  
  89.         __u32 size;  
  90. #else  
  91.         __u16 page_offset ;  
  92.         __u16 size ;  
  93. #endif  
  94. };  

 

注意：分段和分页是两个不同的概念。

分页，即使用非线性数据区，非线性区的含义是包含在sk_buff中的数据长度超过了线性数据区

所能容纳的界限（一般为一页）。包含在非线性数据区中的数据是sk_buff结构中end域所指数据

的连续，全部数据的总长度包含在线性和非线性数据区中。

sk_buff数据的总长度存储在len域，非线性数据的长度存储在sk_buff的data_len域。

分页的实现：

在skb_shared_info中，skb_frag_t frags[MAX_SKB_FRAGS]

通过分页，使得一个sk_buff最多能存：64K的数据（非线性区）+ 一页数据（线性区）。

 

当DMA支持物理分散页的分散-聚集操作时，才有可能存在分页数据区。如果支持，就为线性数据区

分配一页的数据，其他数据则保存在分页数据区中，随后数据的每个sk_buff分段都会分配一页的数据。

如果不支持，就尝试在线性数据区为整个sk_buff数据分配连续的物理内存。

 

分段，主要指IP分段的实现。当一个数据报过大时，需要分为多个。即一个sk_buff分为多个

sk_buff，这些sk_buff形成一个链表。

分段的实现：

在skb_shared_info中，struct sk_buff *frag_list

通过frag_list可以遍历分段列表。

 

======================================================================================================

sk_buff的操作

 

1. alloc_skb

[java]
  1. static inline struct sk_buff *alloc_skb( unsigned int size ,  
  2.                                         gfp_t priority)  
  3. {  
  4.         return __alloc_skb(size , priority , 0 , NUMA_NO_NONE) ;  
  5. }  


 

size是数据包的大小。

The returned buffer has no headroom and a tail room of size bytes.

 

2. skb_reserve

用来为协议头预留空间。拓展head room。

[java]
  1. /** 
  2.  * skb_reserve - ajust headroom 
  3.  * @skb : buffer to alter 
  4.  * @len : bytes to move 
  5.  * 
  6.  * Increase the headroom of an empty &sk_buff by reducing the tail 
  7.  * room. This is only allowed for an empty buffer. 
  8.  */  
  9.   
  10. static inline void skb_reserve( struct sk_buff *skb , int len )  
  11. {  
  12.         skb->data += len ;   
  13.         skb->tail += len ;  
  14. }  


 

此时，head room 大小为len，data room 大小0，tail room大小为原长 - len。

当构造一个报文时，要为协议头预留最大可能的空间。

如，MAX_TCP_HEADER = MAX_TCP_HEADER + MAX_IP_HEADER + LL_MAX_HEADER

 

3. skb_put

用来拓展data room。当要向data room增加数据时，先增加data room的可使用空间。

[java]
  1. /** 
  2.  * skb_put - add data to a buffer 
  3.  * @skb : buffer to use 
  4.  * @len : amount of data to add 
  5.  * 
  6.  * This function extends the used data area of the buffer. If this would  
  7.  * exceed the total buffer size the kernel will panic. A pointer to the 
  8.  * first byte of the extra data is returned. 
  9.  */  
  10.   
  11. unsigned char *skb_put( struct sk_buff *skb , unsigned int len )  
  12. {  
  13.         unsigned char *tmp = skb_tail_pointer(skb) ;  
  14.         /* 如果存在非线性区，即data_len > 0 ，则报bug */  
  15.         SKB_LINEAR_ASSERT(skb) ;  
  16.         skb->tail += len ;  
  17.         skb->len += len ;  
  18.         if (unlikely(skb->tail > skb->end ))  
  19.                 skb_over_panic(skb , len , __builtin_return_address(0)) ;  
  20.         return tmp ;  
  21. }  

 

4. skb_push

用来拓展data room。和skb_put不同的是，它不是向tail room扩展，而是向head room扩展。

[java]
  1. /** 
  2.  * skb_push - add data to the start of a buffer 
  3.  * @skb : buffer to use 
  4.  * @len : amount of data to add 
  5.  * 
  6.  * This function extends the used data area of the buffer at the buffer 
  7.  * start. If this would exceed the total buffer headroom the kernel will 
  8.  * panic. A pointer to the first byte of the extra data is returned. 
  9.  */  
  10.   
  11. unsigned char *skb_push( struct sk_buff *skb , unsigned int len )  
  12. {  
  13.         skb->data -= len ;  
  14.         skb->len += len ;  
  15.         if ( unlikely(skb->data < skb->head ) )  
  16.                 skb_under_panic(skb , len , __builtin_return_address(0)) ;  
  17.         return skb->data ;  
  18. }  

 

注意：

发送报文一般要调用alloc_skb、skb_reserve、skb_put、skb_push。

发送报文时，在不同协议层处理数据时，该数据要添加相应的协议头。

因此，最高层添加数据和自身的协议头。alloc_skb用来申请一个sk_buff。

skb_reserve用来创建头空间。skb_put用来创建用户数据空间，用户数据复制到sk->data

指向的数据区。接下来是在用户数据的前面加上协议头，使用skb_push。

 

5. skb_pull

在报文到达时访问协议头，接收报文时调用。使head room向data room扩展。

[java]
  1. /** 
  2.  * skb_pull - remove data from the start of a buffer 
  3.  * @skb : buffer to use 
  4.  * @len : amount of data to remove 
  5.  * 
  6.  * This function removes data from the start of a buffer, returning the memory to 
  7.  * the headroom. A pointer to the next data in the buffer is returned. Once the 
  8.  * data has been pulled future pushes will overwrite the old data. 
  9.  */  
  10.   
  11. unsigned char *skb_pull( struct sk_buff *skb , unsigned int len )  
  12. {  
  13.         return skb_pull_inline(skb , len ) ;  
  14. }  
  15.   
  16. static inline unsigned char *skb_pull_inline(struct sk_buff *skb , unsigned int len)  
  17. {  
  18.         return unlikely(len > skb->len ) ? NULL : __skb_pull(skb , len) ;  
  19. }  
  20.   
  21. static inline unsigned char *__skb_pull(struct sk_buff *skb , unsigned int len)  
  22. {  
  23.         skb->len -= len ;  
  24.         BUG_ON(skb->len < skb->data_len ) ;  
  25.         return skb->data += len ;  
  26. }  

 

====================================================================================================

 

[java]
  1. # ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET  
  2. static inline unsigned char *skb_transport_header(const struct sk_buff skb)  
  3. {  
  4.         return skb->head + skb->transport_header ;  
  5. }  
  6.   
  7. static inline void skb_reset_transport_header(struct sk_buff *skb)  
  8. {  
  9.         skb->transport_header = skb->data - skb->head ;  
  10. }  
  11. # else   
  12.   
  13. static inline unsigned char *skb_transport_header(const struct sk_buff skb)  
  14. {  
  15.         return skb->transport_header ;  
  16. }  
  17.   
  18. static inline void skb_reset_transport_header(struct sk_buff *skb)  
  19. {  
  20.         skb->transport_header = skb->data ;  
  21. }  
  22.    
  23. static inline struct tcphdr *tcp_hdr(const struct sk_buff *skb)  
  24. {  
  25.         return (struct tcphdr *) skb_transport_header(skb) ;  
  26. }  

 

sk_buff中tcp协议头的表示：

sk_buff_data_t transport_header ;

用函数tcp_hdr(skb)来获取。

当tcp协议头地址有变化时，用skb_reset_transport_header(skb)来更新transport_header。

===============================================================================================

 

向下遍历协议层（即发送数据包）时，构建协议头

 

1. 添加TCP头

TCP调用tcp_transmit_skb()来为TCP数据段构建一个TCP头。

首先计算TCP头的长度，要考虑当前TCP连接所使用的选项。一旦完成该操作，就需要调用

skb_push()来为TCP头分配空间。

[java]
  1. /* This routine actually transmit TCP packets queued in by tcp_do_sendmsg().  
  2.  * This is used by both the initial transmission and possible later retransmissions. 
  3.  * All SKB's seen here are completely headerless. It is our job to build the TCP 
  4.  * header, and pass the packet down to IP so it can do the same plus pass the 
  5.  * packet off to the device. 
  6.  * 
  7.  * We are working here with either a clone of the original SKB, or a fresh unique 
  8.  * copy made by the retransmit engine. 
  9.  */  
  10.   
  11. static int tcp_transmit_skb(struct sock *sk , struct sk_buff *skb , int clone_it ,  
  12.                                gfp_t gfp_mask)  
  13. {  
  14.         ...  
  15.         struct inet_sock *inet = inet_sk(sk) ;  
  16.         unsigned tcp_option_size, tcp_header_size ;  
  17.         struct tcphdr *th ;  
  18.         ...  
  19.         tcp_header_size = tcp_option_size + sizeof(struct tcphdr) ;  
  20.         ...  
  21.         skb_push(skb , tcp_header_size) ;  
  22.         skb_reset_transport_header(skb) ;  
  23.         ...  
  24.         /* Build TCP header and checksum it. */  
  25.         th = tcp_hdr(skb) ;  
  26.         th->source = inet->inet_sport ;  
  27.         th->dest = inet->inet_dport ;  
  28.         ...  
  29. }  

 

 

2. 添加IP头

ip_build_and_send_pkt()构造报文的IP头，并发送给链路层。

[java]
  1. /* 
  2.  * Add an ip header to a sk_buff and sent it out. 
  3.  */  
  4. int ip_build_and_sent_pkt(struct sk_buff *skb , struct sock *sk ,  
  5.                      __be32 saddr , __be32 daddr , struct ip_options *opt)   
  6. {  
  7.         struct inet_sock *inet = inet_sk(sk) ;  
  8.         ...  
  9.         struct iphdr *iph ;  
  10.         /* Build the IP header. */  
  11.         skb_push(skb , sizeof(struct iphdr) + (opt ? opt->optlen : 0) ) ;  
  12.         skb_reset_network_header(skb) ;  
  13.         iph = ip_hdr(skb) ;  
  14.         iph->version = 4 ;  
  15.         iph->ihl = 5 ;  
  16.         iph->tos = inet->tos ;  
  17.         ...  
  18. }  

 

 

3. 添加链路层头

eth_header构造以太网帧协议头。

[java]
  1. #define ETH_HLEN 14  
  2. /** 
  3.  * eth_header - create the Ethernet header 
  4.  * @skb : buffer to alter 
  5.  * @dev : source device 
  6.  * @type : Ethernet type field 
  7.  * @daddr : destination address 
  8.  * @saddr : source address 
  9.  * @len : packet length (<= skb->len) 
  10.  * 
  11.  * Set the protocal type. For a packet of type ETH_P_802_3/2 we put  
  12.  * the length in here instead. 
  13.  */  
  14. int eth_header(struct sk_buff *skb , struct net_device *dev ,  
  15.                 unsigned short type , const void *daddr , const void *saddr,  
  16.                 unsigned len)  
  17. {  
  18.         struct ethhdr *eth = (struct ethhdr *) skb_push(skb , ETH_HLEN) ;  
  19.         ...  
  20. }  

 

 

=======================================================================================================

 

向上遍历协议层（接收数据包）时，解析协议头

 

1. 解析以太网头

当新报文到达时，要为新报文分配一个新的sk_buff，其大小等于报文的长度。sk_buff

的data域指向报文的起始位置（以太网头）。使用skb_pull来提取不同的协议层头。

该例程在sk_buff到IP backlog队列排队之前完成。

[java]
  1. /** 
  2.  * eth_type_trans - determine the packet's protocol ID. 
  3.  * @skb : received socket data 
  4.  * @dev : receiving network device 
  5.  * 
  6.  * The rule here is that we 
  7.  * assume 802.3 if the type field is short enough to be a length. 
  8.  * This is normal practice and works for any 'now in use' protocol. 
  9.  */  
  10. __be16 eth_type_trans(struct sk_buff *skb , struct net_device *dev )  
  11. {  
  12.         struct ethhdr *eth ;  
  13.         skb->dev = dev ;  
  14.         skb_reset_mac_header(skb) ; /* 更新mac_header */  
  15.         skb_pull_inline(skb , ETH_HLEN) ; /* 此后data指向IP头 */  
  16.         eth = eth_hdr(skb) ;  
  17.         ...  
  18. }  

 

2. 解析IP头

现在sk_buff处于IP backlog队列中，由netif_receive_skb()负责处理，该函数将sk_buff

从backlog队列中取出。

netif_receive_skb() 接收数据包得主要处理函数。

[java]
  1. /** 
  2.  * netif_receive_skb - process receive buffer from network 
  3.  * @skb : buffer to process 
  4.  * netif_receive_skb() is the main receive data processing function. 
  5.  * It always succeeds. The buffer may be dropped during processing 
  6.  * for congestion control or by the protocol layers. 
  7.  * 
  8.  * This function may only be called from softirq context and interrupts 
  9.  * should be enabled. 
  10.  *  
  11.  * Return values (usually ignored) : 
  12.  * NET_RX_SUCCESS : no congestion 
  13.  * NET_RX_DROP : packet was dropped 
  14.  */  
  15.   
  16. int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)  


 

3. 解析tcp头

网络层处理完报文，在将data指针指向传输层起始位置，并更新transport_header后，

将报文递给传输层，这些工作有ip_local_deliver_finish()来完成。

[java]
  1. static int ip_local_deliver_finish(struct sk_buff *skb)  
  2. {  
  3.         ...  
  4.         __skb_pull(skb , ip_hdrlen(skb)) ;  
  5.         skb_reset_transport_header(skb) ;  
  6.         ...  
  7. }  
  8.   
  9. static inline unsigned int ip_hdrlen(const struct sk_buff *skb)  
  10. {  
  11.         return ip_hdr(skb)->ihl * 4 ;  
  12. }  

 

 

传输层调用tcp_v4_do_rcv()处理传输层头报文。如果连接已建立，并且TCP报文中有数据，

就调用skb_copy_datagram_iovec()将从skb->data偏移tcp_header_len开始的数据复制给

用户应用程序。如果由于某些原因不能复制数据给用户应用程序，就将sk_buff的data指针

向前移动tcp_header_len，再将其发往套接字的接受队列排队。

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