Linux内核bridge浅析

 

Linux网桥模型：

       Linux内核通过一个虚拟的网桥设备来实现桥接的，这个设备可以绑定若干个以太网接口设备，从而将它们桥接起来。如下图所示：

 

网桥设备br0绑定了eth0和eth1。对于网络协议栈的上层来说，只看得到br0，因为桥接是在数据链路层实现的，上层不需要关心桥接的细节。于是协议栈上层需要发送的报文被送到br0，网桥设备的处理代码再来判断报文该被转发到eth0或是eth1，或者两者皆是；反过来，从eth0或从eth1接收到的报文被提交给网桥的处理代码，在这里会判断报文该转发、丢弃、或提交到协议栈上层。
    而有时候eth0、eth1也可能会作为报文的源地址或目的地址，直接参与报文的发送与接收（从而绕过网桥）。

 

相关数据结构：

 

   其中最左边的net_device是一个代表网桥的虚拟设备结构，它关联了一个net_bridge结构，这是网桥设备所特有的数据结构。
   在net_bridge结构中，port_list成员下挂一个链表，链表中的每一个节点（net_bridge_port结构）关联到一个真实的网口设备的net_device。网口设备也通过其br_port指针做反向的关联（那么显然，一个网口最多只能同时被绑定到一个网桥）。
net_bridge结构中还维护了一个hash表，是用来处理地址学习的。当网桥准备转发一个报文时，以报文的目的Mac地址为key，如果可以在hash表中索引到一个net_bridge_fdb_entry结构，通过这个结构能找到一个网口设备的net_device，于是报文就应该从这个网口转发出去；否则，报文将从所有网口转发。

 

网桥数据包的处理流程：

  

   接收过程：

   对于数据包的处理流程并没有明显的主线，主要就是根据内核代码中网桥部分的源码进行分析。

   网口设备接收到的报文最终通过net_receive_skb函数被网络协议栈所接收。这个函数主要做三件事情：1、如果有抓包程序需要skb，将skb复制给它们；2、处理桥接；3、将skb提交给网络层。

int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
......
 if (handle_bridge(&skb, &pt_prev, &ret, orig_dev))
  goto out;
......
}
static inline struct sk_buff *handle_bridge(struct sk_buff *skb,
                                       struct packet_type **pt_prev, int *ret,
                                       struct net_device *orig_dev)
{
       struct net_bridge_port *port;
       //对于回环设备以及skb->dev->br_port为空（即不被任何网桥所包含）的数据包直接返回
       if (skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK ||
           (port = rcu_dereference(skb->dev->br_port)) == NULL)
              return skb;

       if (*pt_prev) {
              *ret = deliver_skb(skb, *pt_prev, orig_dev);
              *pt_prev = NULL;
       }
       //网桥的基本挂接点处理函数
       return br_handle_frame_hook(port, skb);
}
br_handle_frame_hook在网桥初始化模块br_init(void)函数中被赋值.
br_handle_frame_hook = br_handle_frame;
所以网桥对于数据包的处理过程是从br_handle_frame开始的。
struct sk_buff *br_handle_frame(struct net_bridge_port *p, struct sk_buff *skb)
{
       const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
       int (*rhook)(struct sk_buff *skb);

    //判断是否为有效的物理地址，非全0地址以及非广播地址
       if (!is_valid_ether_addr(eth_hdr(skb)->h_source))
              goto drop;

       //判断skb包是否被共享skb->users != 1,若是，则复制一份，否则直接返回
       skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC);
       if (!skb)
              return NULL;

       //这个函数并非像想象的那样，判断是否为本地地址
       //而是在判断是否为链路本地多播地址，01:80:c2:00:00:0x
       if (unlikely(is_link_local(dest))) {
              /* Pause frames shouldn't be passed up by driver anyway */
              if (skb->protocol == htons(ETH_P_PAUSE))
                     goto drop;
              /* If STP is turned off, then forward */
              if (p->br->stp_enabled == BR_NO_STP && dest[5] == 0)
                     goto forward;

              if (NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, skb->dev,
                         NULL, br_handle_local_finish))
                     return NULL;  /* frame consumed by filter */
              else
                     return skb;      /* continue processing */
       }

forward:
       switch (p->state) {
       case BR_STATE_FORWARDING:
       //如果网桥处于forwarding状态，并且该报文必须要走L3层进行转发，则直接返回
       //br_should_route_hook钩子函数在ebtable里面设置为ebt_broute函数，它根据用户的规
    //决定该报文是否要通过L3层来转发；一般rhook为空
       rhook = rcu_dereference(br_should_route_hook);
              if (rhook != NULL) {
                     if (rhook(skb))
                            return skb;
                     dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
              }
              /* fall through */
       case BR_STATE_LEARNING:
              //如果数据包的目的mac地址为虚拟网桥设备的mac地址，则标记为host
              if (!compare_ether_addr(p->br->dev->dev_addr, dest))
                     skb->pkt_type = PACKET_HOST;
//调用网桥在NF_BR_PREROUTING处挂载的钩子函数，因为网桥在其钩子函数过//程中嵌套调用了INET层BR_PREROUTING的钩子函数，过程有些曲折，故最后//再分析
              NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,
                     br_handle_frame_finish);
              break;
       default:
drop:
              kfree_skb(skb);
       }
       return NULL;
}
FORWARDING以及LEARNING为网桥的状态，网桥端口一般有5种状态：
1）  disable 被管理员禁用
2）  blcok 休息，不参与数据包转发
3）  listening 监听
4）  learning 学习ARP信息，准备向工作状态改变
5）  forwarding 正常工作，转发数据包
/* note: already called with rcu_read_lock (preempt_disabled) */
int br_handle_frame_finish(struct sk_buff *skb)
{
       const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
       struct net_bridge_port *p = rcu_dereference(skb->dev->br_port);
       struct net_bridge *br;
       struct net_bridge_fdb_entry *dst;
       struct sk_buff *skb2;

       //判断网桥状态
       if (!p || p->state == BR_STATE_DISABLED)
              goto drop;

       /* insert into forwarding database after filtering to avoid spoofing */
       //br为虚拟网桥结构
       br = p->br;
       //根据数据包的源物理地址，更新网桥的转发表
       br_fdb_update(br, p, eth_hdr(skb)->h_source);

       if (p->state == BR_STATE_LEARNING)
              goto drop;

       /* The packet skb2 goes to the local host (NULL to skip). */
       //skb2数据包用于交付本机，skb数据包则用于forward
       skb2 = NULL;
       //如果网口处于混杂模式，复制一份交付主机
       if (br->dev->flags & IFF_PROMISC)
              skb2 = skb;

       dst = NULL;

       //如果为广播数据包，增加计数，同样需要发一份给主机
       if (is_multicast_ether_addr(dest)) {
              br->dev->stats.multicast++;
              skb2 = skb;
       }
       /*根据网桥口以及目标地址判断是否为本机数据包*/
       else if ((dst = __br_fdb_get(br, dest)) && dst->is_local) {
              skb2 = skb;
              /* Do not forward the packet since it's local. */
              skb = NULL;
       }

       if (skb2 == skb)
              skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);

       if (skb2)
              /*完成将数据包交付给本机的工作*/
              br_pass_frame_up(br, skb2);

       if (skb) {
              if (dst)
                     //如果存在目的地址则将其转发
                     br_forward(dst->dst, skb);
              else
                     //否则，flood数据包，向除接收网口外的其余网口发送该数据包
                     br_flood_forward(br, skb);
       }

out:
       return 0;
drop:
       kfree_skb(skb);
       goto out;
}

//此函数主要实现通过网桥接收发往本机的数据包
static void br_pass_frame_up(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb)
{
       struct net_device *indev, *brdev = br->dev;

       //完成数据包的统计计数
       brdev->stats.rx_packets++;
       brdev->stats.rx_bytes += skb->len;

       //将skb的dev改变为网桥结构的brdev
       //此时skb的dev选项由实际网络设备eth0等改变为虚拟网桥设备br0
       indev = skb->dev;
       skb->dev = brdev;

       //重新走数据包接收流程，netif_receive_skb
       //但因为dev的改变，dev的br_port字段不再为空，不会重走网桥流程，直接交付
       NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL,
              netif_receive_skb);
}

下面看一下转发数据包的流程，对于flood_forward的流程，同样通过br_forward来实现，只不过改为循环遍历hash表中的设备，对于每一个设备都调用一次br_forward流程。
/* called with rcu_read_lock */
void br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
       /*如果skb->dev 不等于网桥的dev，同时网桥状态为forwarding，则进行转发*/
       if (should_deliver(to, skb)) {
              __br_forward(to, skb);
              return;
       }

       kfree_skb(skb);
}
static void __br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
       struct net_device *indev;

       if (skb_warn_if_lro(skb)) {
              kfree_skb(skb);
              return;
       }
       //将skb的dev字段改为查找到的出口dev字段
       indev = skb->dev;
       skb->dev = to->dev;
       skb_forward_csum(skb);
       //遍历执行NF_BR_FORWARD钩子函数
       NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_FORWARD, skb, indev, skb->dev,
                     br_forward_finish);
}
int br_forward_finish(struct sk_buff *skb)
{
       //继续跑NF_BR_POST_ROUTING处的钩子函数
       return NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL, skb->dev,
                     br_dev_queue_push_xmit);
}
int br_dev_queue_push_xmit(struct sk_buff *skb)
{
       /* drop mtu oversized packets except gso */
       /*如果skb数据包的长度大于MTU值，则丢弃*/
       if (packet_length(skb) > skb->dev->mtu && !skb_is_gso(skb))
              kfree_skb(skb);
       else {
              /* ip_refrag calls ip_fragment, doesn't copy the MAC header. */
              if (nf_bridge_maybe_copy_header(skb))
                     kfree_skb(skb);
              else {
                     skb_push(skb, ETH_HLEN);
         // 此时skb的dev已经替换成进行转发的dev了，dev_queue_xmit将使
//用该网口设备的发送函数完成数据包的发送
                     dev_queue_xmit(skb);
              }
       }

       return 0;
}

发送过程：
       协议栈上层需要发送报文时，调用dev_queue_xmit(skb)函数。如果这个报文需要通过网桥设备来发送，则skb->dev指向一个网桥设备。网桥设备没有使用发送队列（dev->qdisc为空），所以dev_queue_xmit将直接调用dev->hard_start_xmit函数，而网桥设备的hard_start_xmit等于函数br_dev_xmit；
/* net device transmit always called with no BH (preempt_disabled) */
/*br_dev_xmit为网桥设备的数据包发送函数*/
int br_dev_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
       struct net_bridge *br = netdev_priv(dev);
       const unsigned char *dest = skb->data;
       struct net_bridge_fdb_entry *dst;

       dev->stats.tx_packets++;
       dev->stats.tx_bytes += skb->len;

       skb_reset_mac_header(skb);
       skb_pull(skb, ETH_HLEN);

       /*如果为广播地址，则flood该数据包
       * 如果能够根据skb中的目的mac地址查找到对应的网口，则通过br_deliver发送该数据包
       * 如果查找不到，同样flood该数据包
       */
       if (dest[0] & 1)
              br_flood_deliver(br, skb);
       else if ((dst = __br_fdb_get(br, dest)) != NULL)
              br_deliver(dst->dst, skb);
       else
              br_flood_deliver(br, skb);

       return 0;
}
br_flood_deliver函数的实现过程，同样是遍历hash表，对于每一个网口设备都调用一次__br_deliver，所以下面就主要看一下br_deliver函数的流程
void br_deliver(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
       if (should_deliver(to, skb)) {
              __br_deliver(to, skb);
              return;
       }

       kfree_skb(skb);
}
static void __br_deliver(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
       /*将skb中的dev改成出口设备所对应的dev*/
       skb->dev = to->dev;
       NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_OUT, skb, NULL, skb->dev,
                     br_forward_finish);
}
/*最终仍然通过br_dev_queue_push_xmit完成数据包的发送过程*/
int br_forward_finish(struct sk_buff *skb)
{
       return NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL, skb->dev,
                     br_dev_queue_push_xmit);

}
至此，整个网桥中数据的处理流程已经完全结束了。


Netfilter：

对于网桥中的netfilter的钩子函数的调度过程有些曲折，对于INET层的钩子函数全部被嵌套进BRIDGE层钩子函数的运行流程中。
下面首先来看一下网桥一共挂载了哪些钩子函数
static struct nf_hook_ops br_nf_ops[] __read_mostly = {
       { .hook = br_nf_pre_routing,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_BRIDGE,
         .hooknum = NF_BR_PRE_ROUTING,
         .priority = NF_BR_PRI_BRNF, },
       { .hook = br_nf_local_in,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_BRIDGE,
         .hooknum = NF_BR_LOCAL_IN,
         .priority = NF_BR_PRI_BRNF, },
       { .hook = br_nf_forward_ip,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_BRIDGE,
         .hooknum = NF_BR_FORWARD,
         .priority = NF_BR_PRI_BRNF - 1, },
       { .hook = br_nf_forward_arp,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_BRIDGE,
         .hooknum = NF_BR_FORWARD,
         .priority = NF_BR_PRI_BRNF, },
       { .hook = br_nf_local_out,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_BRIDGE,
         .hooknum = NF_BR_LOCAL_OUT,
         .priority = NF_BR_PRI_FIRST, },
       { .hook = br_nf_post_routing,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_BRIDGE,
         .hooknum = NF_BR_POST_ROUTING,
         .priority = NF_BR_PRI_LAST, },
//以上为BRIDGE层挂载的钩子函数，一下为INET层挂载的钩子函数
       { .hook = ip_sabotage_in,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_INET,
         .hooknum = NF_INET_PRE_ROUTING,
         .priority = NF_IP_PRI_FIRST, },
       { .hook = ip_sabotage_in,
         .owner = THIS_MODULE,
         .pf = PF_INET6,
         .hooknum = NF_INET_PRE_ROUTING,
         .priority = NF_IP6_PRI_FIRST, },
};
其实在这些钩子函数内部并没有涉及数据包操作的具体流程，大多是一些条件判断和验证的工作，现在就拿发往本机的数据包在作为一个例子，看一下这个数据包在netfilter中的流经过程（自认为还算有代表意义）。
对于发往本机网桥口的skb包，其skb->dev->br_port不为空，因此会进入网桥的处理流程，br_handler_frame，在此函数的退出处会首先运行NF_BR_PRE_ROUTING的钩子函数
NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,
                     br_handle_frame_finish);
网桥挂载在BR_PRE_ROUTING的函数为br_nf_pre_routing
在此函数内部首先完成ipv4及ipv6数据的分流，这里只考虑ipv4数据，接着进行ipv4数据正确性的验证，以及网桥标记nf_bridge->mask |= BRNF_NF_BRIDGE_PREROUTING;（下面还要用到此标记）在函数的最后通过NF_HOOK(PF_INET, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,br_nf_pre_routing_finish)完成对于INET层PRE_ROUTING钩子函数的遍历。
遍历结束后进入br_nf_pre_routing_finish函数，这个函数首先对数据包打标记，nf_bridge->mask ^= BRNF_NF_BRIDGE_PREROUTING;（跟上一个标记对应）主要处理skb包需要进行dnat的情形（貌似，没有细看），在函数的最后
       NF_HOOK_THRESH(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,
                     br_handle_frame_finish, 1);
在这里通过NF_HOOK_THRESH而非NF_HOOK的意思是因为，NF_HOOK_THRESH是从当前优先级的下一个函数开始遍历所有的钩子函数，在这里也就是说从br_nf_pre_routing函数的下一个优先级函数开始遍历BR_PRE_ROUTING的后续函数，虽然目前网桥只挂载了这一个函数，但是这属于Netfilter的机制问题。
接着，在跑完BR_PRE_ROUTING的剩余函数后就进入br_handle_frame_finish函数，对于本机数据包则继续调用br_pass_frame_up函数，在br_pass_frame_up函数中将skb的dev字段修改为虚拟网桥的dev，最后NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL,      netif_receive_skb);将数据包重新跑skb的接收流程，由于网桥设备的dev->br_port不为空，因此不会再进入网桥处理流程了。
那网桥是怎样防止同一个skb包跑两次INET_PRE_ROUTING的流程呢，主要就是通过挂在在INET_PRE_ROUTING出优先级最高的NF_IP_PRI_FIRST处的函数ip_sabotage_in以及上文特殊提到的两个打标记的代码来完成的。
static unsigned int ip_sabotage_in(unsigned int hook, struct sk_buff *skb,
                               const struct net_device *in,
                               const struct net_device *out,
                               int (*okfn)(struct sk_buff *))
{
       /*此钩子函数用于确保发往本机的skb包只跑一次INET_PRE_ROUTING的钩子函数
       * 在第一次进入BR_PRE_ROUTING时打上标记mask，在BR_PRE_ROUTING的钩子函数中遍历INET_PRE_ROUTING的钩子函数
       * 在br_pre_routing结束的时候，异或该mask值，这样就使得发往本机的skb包在第二次交付的时候可以不再跑钩子
       */
       if (skb->nf_bridge &&
           !(skb->nf_bridge->mask & BRNF_NF_BRIDGE_PREROUTING)) {
              return NF_STOP;
       }

       return NF_ACCEPT;
}
NF_STOP的意思就是说该skb包就立即结束检查而接受,不再进入链表中后续的hook节点。

整个网桥模块大体就是这个样子，剩下的还有网桥的生成树协议，这周打算把这个搞懂。。。
第一次写分析，自己给自己加油，继续努力~