Linux下网络协议结构分析

一.前言

　　Linux的源码里，网络接口的实现部份是非常值得一读的，通过读源码，不仅对网络协议会有更深的了解，也有助于在网络编程的时候，对应用函数有更精确的了解和把握。

　　本文把重点放在网络接口程序的总体结构上，希望能作为读源码时一些指导性的文字。

　　本文以Linux2.4.16内核作为讲解的对象。

　　二.网络接口程序的结构

　　Linux的网络接口分为四部份：网络设备接口部份，网络接口核心部份，网络协议族部份，以及网络接口socket层。
　　网络设备接口部份主要负责从物理介质接收和发送数据。实现的文件在linu/driver/net目录下面。

　　网络接口核心部份是整个网络接口的关键部位，它为网络协议提供统一的发送接口，屏蔽各种各样的物理介质，同时有负责把来自下层的包向合适的协议配送。它是网络接口的中枢部份。它的主要实现文件在linux/net/core目录下，其中linux/net/core/dev.c为主要管理文件。

　　网络协议族部份是各种具体协议实现的部份。Linux支持TCP/IP，IPX，X.25，AppleTalk等的协议，各种具体协议实现的源码在linux/net/目录下相应的名称。在这里主要讨论TCP/IP(IPv4)协议，实现的源码在linux/net/ipv4,其中linux/net/ipv4/af_inet.c是主要的管理文件。

　　网络接口Socket层为用户提供的网络服务的编程接口。主要的源码在linux/net/socket.c

　　三.网络设备接口部份

　　物理层上有许多不同类型的网络接口设备, 在文件include/linux/if_arp.h的28行里定义了ARP能处理的各种的物理设备的标志符。网络设备接口要负责具体物理介质的控制，从物理介质接收以及发送数据，并对物理介质进行诸如最大数据包之类的各种设置。这里我们以比较简单的3Com3c501 太网卡的驱动程序为例，大概讲一下这层的工作原理。源码在Linux/drivers/net/3c501.c。

我们从直觉上来考虑，一个网卡当然最主要的是完成数据的接收和发送，在这里我们来看看接收和发送的过程是怎么样的。

　　发送相对来说比较简单，在Linux/drivers/net/3c501.c的行475 开始的el_start_xmit()这个函数就是实际向3Com3c501以太网卡发送数据的函数，具体的发送工作不外乎是对一些寄存器的读写，源码的注释很清楚，大家可以看看。

　　接收的工作相对来说比较复杂。通常来说，一个新的包到了，或者一个包发送完成了，都会产生一个中断。Linux/drivers/net/3c501.c的572开始el_interrupt()的函数里面，前半部份处理的是包发送完以后的汇报，后半部份处理的是一个新的包来的，就是说接收到了新的数据。el_interrupt()函数并没有对新的包进行太多的处理，就交给了接收处理函数el_receive()。el_receive()首先检查接收的包是否正确，如果是一个“好”包就会为包分配一个缓冲结构(dev_alloc_skb())，这样驱动程序对包的接收工作就完成了，通过调用上层的函数netif_rx()(net/core/dev.c1214行) ，把包交给上层。

　　现在驱动程序有了发送和接收数据的功能了，驱动程序怎么样和上层建立联系呢？就是说接收到包以后怎么送给上层，以及上层怎么能调用驱动程序的发送函数呢？

　　由下往上的关系，是通过驱动程序调用上层的netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)函数实现的，驱动程序通过这个函数把接到的数据交给上层，请注意所有的网卡驱动程序都需要调用这个函数的，这是网络接口核心层和网络接口设备联系的桥梁。

　　由上往下的关系就复杂点。网络接口核心层需要知道有多少网络设备可以用，每个设备的函数的入口地址等都要知道。网络接口核心层会大声喊，“嘿，有多少设备可以帮我发送数据包？能发送的请给我排成一队！”。这一队就由dev_base开始，指针structnet_device *dev_base (Linux/include/linux/netdevice.h 436行)就是保存了网络接口核心层所知道的所有设备。对于网络接口核心层来说，所有的设备都是一个net_device结构，它在include/linux/netdevice.h,line 233里被定义，这是从网络接口核心层的角度看到的一个抽象的设备，我们来看看网络接口核心层的角度看到的网络设备具有的功能：

　　struct net_device {
　　………
　　open()
　　stop()
　　hard_start_xmit()
　　hard_header()
　　rebuild_header()
　　set_mac_address()
　　do_ioctl()
　　set_config()
　　hard_header_cache()
　　header_cache_update()
　　change_mtu()
　　tx_timeout()
　　hard_header_parse()
　　neigh_setup()
　　accept_fastpath()
　　………
　　}

　　如果网络接口核心层需要由下层发送数据的时候，在dev_base找到设备以后，就直接调dev->hard_start_xmit()的这个函数来让下层发数据包。


　　驱动程序要让网络接口核心层知道自己的存在，当然要加入dev_base所指向的指针链，然后把自己的函数以及各种参数和net_device里的相应的域对应起来。加入dev_base所指向的指针链是通过函数register_netdev(&dev_3c50)(linux/drivers/net/net_init.c, line 532)

　　建立的。而把自己的函数以和net_device里的相应的域及各种参数关系的建立是在el1_probe1()(Linux/drivers/net/3c501.c)里进行的：

　　el1_probe1(){
　　………
　　dev->open = &el_open;
　　dev->hard_start_xmit = &el_start_xmit;
　　dev->tx_timeout = &el_timeout;
　　dev->watchdog_timeo = HZ;
　　dev->stop = &el1_close;
　　dev->get_stats = &el1_get_stats;
　　dev->set_multicast_list = &set_multicast_list;
　　………
　　ether_setup(dev);
　　………

　　}

　　进一步的对应工作在ether_setup(dev) (drivers/net/net_init.c, line 405 )里进行。我们注意到dev->hard_start_xmit =&el_start_xmit，这样发送函数的关系就建立了，上层只知道调用dev->hard_start_xmit这个来发送数据，上面的语句就把驱动程序实际的发送函数告诉了上层。

　　四.网络接口核心部分

　　刚才谈论了驱动程序怎么和网络接口核心层衔接的。网络接口核心层知道驱动程序以及驱动程序的函数的入口是通过*dev_base指向的设备链的，而下层是通过调用这一层的函数netif_rx()(net/core/dev.c
1214行) 把数据传递个这一层的。

　　网络接口核心层的上层是具体的网络协议，下层是驱动程序，我们以及解决了下层的关系，但和上层的关系没有解决。先来讨论一下网络接口核心层和网络协议族部份的关系，这种关系不外乎也是接收和发送的关系。

　　网络协议，例如IP，ARP等的协议要发送数据包的时候会把数据包传递给这层，那么这种传递是通过什么函数来发生的呢？网络接口核心层通过dev_queue_xmit()(net/core/dev.c,line975)这个函数向上层提供统一的发送接口，也就是说无论是IP，还是ARP协议，通过这个函数把要发送的数据传递给这一层，想发送数据的时候就调用这个函数就可以了。dev_queue_xmit()做的工作最后会落实到dev->hard_start_xmit()，而dev->hard_start_xmit()会调用实际的驱动程序来完成发送的任务。例如上面的例子中，调用dev->hard_start_xmit()实际就是调用了el_start_xmit()。

　　现在讨论接收的情况。网络接口核心层通过的函数netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)接收了上层发送来的数据，这时候当然要把数据包往上层派送。所有的协议族的下层协议都需要接收数据，TCP/IP的IP协议和ARP协议，SPX/IPX的IPX协议，AppleTalk的DDP和AARP协议等都需要直接从网络接口核心层接收数据，网络接口核心层接收数据是如何把包发给这些协议的呢？这时的情形和于下层的关系很相似，网络接口核心层的下面可能有许多的网卡的驱动程序，为了知道怎么向这些驱动程序发数据，前面以及讲过时，是通过*dev_base这个指针指向的链解决的，现在解决和上层的关系是通过static struct packet_ptype_base[16]( net/core/dev.c line 164)这个数组解决的。这个数组包含了需要接收数据包的协议，以及它们的接收函数的入口。

　　从上面可以看到，IP协议接收数据是通过ip_rcv()函数的，而ARP协议是通过arp_rcv()的，网络接口核心层只要通过这个数组就可以把数据交给上层函数了。


　　如果有协议想把自己添加到这个数组，是通过dev_add_pack()(net/core/dev.c, line233)函数，从数组删除是通过dev_remove_pack()函数的。Ip层的注册是在初始化函数进行的void __init ip_init(void) (net/ipv4/ip_output.c, line 1003)

　　{
　　………
　　dev_add_pack(&ip_packet_type);
　　………

　　}

　　重新到回我们关于接收的讨论，网络接口核心层通过的函数netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)接收了上层发送来的数据，看看这个函数做了些什么。

　　由于现在还是在中断的服务里面，所有并不能够处理太多的东西，剩下的东西就通过cpu_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ)

　　交给软中断处理， 从open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL)可以知道NET_RX_SOFTIRQ软中断的处理函数是net_rx_action()(net/core/dev.c, line 1419)，net_rx_action()根据数据包的协议类型在数组ptype_base[16]里找到相应的协议，并从中知道了接收的处理函数，然后把数据包交给处理函数，这样就交给了上层处理，实际调用处理函数是通过net_rx_action()里的pt_prev->func()这一句。例如如果数据包是IP协议的话，ptype_base[ETH_P_IP]->func()(ip_rcv()),这样就把数据包交给了IP协议。

　　五.网络协议部分

　　协议层是真正实现是在这一层。在linux/include/linux/socket.h里面，Linux的BSD
Socket定义了多至32支持的协议族，其中PF_INET就是我们最熟悉的TCP/IP协议族(IPv4, 以下没有特别声明都指IPv4)。以这个协议族为例，看看这层是怎么工作的。实现TCP/IP协议族的主要文件在inux/net/ipv4/目录下面，Linux/net/ipv4/af_inet.c为主要的管理文件。

　　在Linux2.4.16里面，实现了TCP/IP协议族里面的的IGMP,TCP,UDP,ICMP,ARP,IP。我们先讨论一下这些协议之间的关系。IP和ARP协议是需要直接和网络设备接口打交道的协议，也就是需要从网络核心模块(core)
接收数据和发送数据的。而其它协议TCP,UDP,IGMP,ICMP是需要直接利用IP协议的，需要从IP协议接收数据，以及利用IP协议发送数据，同时还要向上层Socket层提供直接的调用接口。可以看到IP层是一个核心的协议，向下需要和下层打交道，又要向上层提供所以的传输和接收的服务。

　　先来看看IP协议层。网络核心模块(core) 如果接收到IP层的数据，通过ptype_base[ETH_P_IP] 数组的IP层的项指向的IP协议的ip_packet_type->ip_rcv()函数把数据包传递给IP层,也就是说IP层通过这个函数ip_rcv()(linux/net/ipv4/ip_input.c)接收数据的。ip_rcv()这个函数只对IP数据保做了一些checksum的检查工作，如果包是正确的就把包交给了下一个处理函数ip_rcv_finish()(注意调用是通过NF_HOOK这个宏实现的)。现在，ip_rcv_finish()这个函数真正要完成一些IP层的工作了。IP层要做的主要工作就是路由，要决定把数据包往那里送。路由的工作是通过函数ip_route_input()(/linux/net/ipv4/route.c,line 1622)实现的。对于进来的包可能的路由有这些：

　　属于本地的数据(即是需要传递给TCP，UDP，IGMP这些上层协议的) ；
　　需要要转发的数据包(网关或者NAT服务器之类的)；
　　不可能路由的数据包(地址信息有误)；


　　我们现在关心的是如果数据是本地数据的时候怎么处理。ip_route_input()调用ip_route_input_slow()(net/ipv4/route.c, line 1312)，在ip_route_input_slow()里面的1559行rth->u.dst.input=

　　ip_local_deliver，这就是判断到IP包是本地的数据包，并把本地数据包处理函数的地址返回。好了，路由工作完成了，返回到ip_rcv_finish()。ip_rcv_finish()最后调用拉skb->dst->input(skb)，从上面可以看到，这其实就是调用了ip_local_deliver()函数，而ip_local_deliver(),接着就调用了ip_local_deliver_finish()。现在真正到了往上层传递数据包的时候了。

　　现在的情形和网络核心模块层(core) 往上层传递数据包的情形非常相似,怎么从多个协议选择合适的协议，并且往这个协议传递数据呢？网络网络核心模块层(core) 通过一个数组ptype_base[16]保存了注册了的所有可以接收数据的协议，同样网络协议层也定义了这样一个数组struct net_protocol*inet_protos[MAX_INET_PROTOS](/linux/net/ipv4/protocol.c#L102),它保存了所有需要从IP协议层接收数据的上层协议(IGMP，TCP，UDP，ICMP)的接收处理函数的地址。我们来看看TCP协议的数据结构是怎么样的：

　　linux/net/ipv4/protocol.c line67
　　static struct inet_protocol tcp_protocol = {
　　handler: tcp_v4_rcv,// 接收数据的函数
　　err_handler: tcp_v4_err,// 出错处理的函数
　　next: IPPROTO_PREVIOUS,
　　protocol: IPPROTO_TCP,
　　name: "TCP"
　　};

　　第一项就是我们最关心的了，IP层可以通过这个函数把数据包往TCP层传的。在linux/net/ipv4/protocol.c的上部，我们可以看到其它协议层的处理函数是igmp_rcv(),
udp_rcv(), icmp_rcv()。同样在linux/net/ipv4/protocol.c，往数组inet_protos[MAX_INET_PROTOS] 里面添加协议是通过函数inet_add_protocol()实现的，删除协议是通过 inet_del_protocol()实现的。inet_protos[MAX_INET_PROTOS]初始化的过程在linux/net/ipv4/af_inet.c inet_init()初始化函数里面。

　　inet_init(){
　　……
　　printk(KERN_INFO "IP Protocols: ");
　　for (p = inet_protocol_base; p != NULL;) {
　　struct inet_protocol *tmp = (struct inet_protocol *) p->next;
　　inet_add_protocol(p);// 添加协议
　　printk("%s%s",p->name,tmp?", ":"n");
　　p = tmp;
　　………
　　}