skb_buff结构体及相关操作

本文转自：http://blog.csdn.net/efan_linux/archive/2009/09/26/4598261.aspx
一. SKB_BUFF的基本概念
1. 一个完整的skb buff组成
(1) struct sk_buff--用于维护socket buffer状态和描述信息
(2) header data--独立于sk_buff结构体的数据缓冲区，用来存放报文分组，使各层协议的header存储在连续的空间中，以方便协议栈对其操作
(3) struct skb_shared_info --作为header data的补充，用于存储ip分片，其中sk_buff *frag_list是一系列子skbuff链表，而frag[]是由一组单独的page组成的数据缓冲区
skb buff结构图如下：
 

struct skb_buff
表示接收或发送数据包的包头信息，其成员变量在从一层向另一层传递时会发生修改。例如L3向L2传递前，会添加一个L3的头部，所以在添加头部前调用skb_reserve在缓冲区的头部给协议头预留一定的空间；L2向L3传递时候，L2的头部只有在 网络驱动处理L2的协议时有用，L3是不会关心它的信息的。但是，内核不会把L2的头部从缓冲区中删除，

sk_buff->h
sk_buff->nh
sk_buff->mac
指向TCP/IP各层协议头的指针：h指向L4(传输层)，nh指向L3(网络层)，mac指向L2(数据链路层)。每个指针的类型都是一个联合， 包含多个数据结构，

sk_buff->head
sk_buff->data
sk_buff->tail
sk_buff->end
   表示缓冲区和数据部分的边界。在每一层申请缓冲区时，它会分配比协议头或协议数据大的空间。head和end指向缓冲区的头部和尾部，而data和 tail指向实际数据的头部和尾部。每一层会在head和data之间填充协议头，或者在tail和end之间添加新的协议数据。数据部分会在尾部包含一 个附加的头部。
下图是TCP（L4）向下发送数据给链路层L2的过程。注意skb_buff->data在从L4向L2穿越过程中的变化
 

几个len的区别？
(1)sk_buff->len:表示当前协议数据包的长度。它包括主缓冲区中的数据长度(data指针指向它)和分片中的数据长度。比如，处在网络层，len指的是ip包的长度，如果包已经到了应用层，则len是应用层头部和数据载荷的长度。

(2)sk_buff->data_len: data_len只计算分片中数据的长度，即skb_shared_info中有效数据总长度（包括frag_list,frags[]中的扩展数据），一般为0

(3)sk_buff->truesize:这是缓冲区的总长度，包括sk_buff结构和数据部分。如果申请一个len字节的缓冲区，alloc_skb函数会把它初始化成len+sizeof(sk_buff)。当skb->len变化时，这个变量也会变化。

通常，Data Buffer 只是一个简单的线性 buffer，这时候 len 就是线性 buffer 中的数据长度；
但在有 ‘paged data’ 情况下， Data Buffer 不仅包括第一个线性 buffer ，还包括多个 page buffer；这种情况下， ‘data_len’ 指的是 page buffer 中数据的长度，’len’ 指的是线性 buffer 加上 page buffer 的长度；len – data_len 就是线性 buffer 的长度。

 二. sk_buff结构操作函数 
内核通过alloc_skb()和dev_alloc_skb()为套接字缓存申请内存空间。这两个函数的定义位于net/core/skbuff.c文件内。通过这alloc_skb()申请的内存空间有两个，一个是存放实际报文数据的内存空间，通过kmalloc()函数申请；一个是sk_buff数据结构的内存空间，通过 kmem_cache_alloc()函数申请。dev_alloc_skb()的功能与alloc_skb()类似，它只被驱动程序的中断所调用，与alloc_skb()比较只是申请的内存空间长度多了16个字节。

内核通过kfree_skb()和dev_kfree_skb()释放为套接字缓存申请的内存空间。dev_kfree_skb()被驱动程序使用，功能与kfree_skb()一样。当skb->users为1时kfree_skb()才会执行释放内存空间的动作，否则只会减少skb->users的值。skb->users为1表示已没有其他用户使用该缓存了。

skb_reserve()函数为skb_buff缓存结构预留足够的空间来存放各层网络协议的头信息。该函数在在skb缓存申请成功后，加载报文数据前执行。在执行skb_reserve()函数前，skb->head，skb->data和skb->tail指针的位置的一样的，都位于skb内存空间的开始位置。这部份空间叫做headroom。有效数据后的空间叫tailroom。skb_reserve的操作只是把skb->data和skb->tail指针向后移，但缓存总长不变。

运行skb_reserve()前sk_buff的结构 
  
        sk_buff 
 ----------------------   ---------->  skb->head，skb->data，skb->tail 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
 ---------------------    ---------->  skb->end 
  
运行skb_reserve()后sk_buff的结构 
  
        sk_buff 
 ----------------------   ---------->  skb->head 
|                      | 
|      headroom        | 
|                      | 
|--------------------- |  ---------->  skb->data，skb->tail 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
|                      | 
 ---------------------    ---------->  skb->end 
         
skb_put()向后扩大数据区空间，tailroom空间减少，skb->data指针不变，skb->tail指针下移。

skb_push()向前扩大数据区空间，headroom空间减少，skb->tail指针不变，skb->data指针上移

skb_pull()缩小数据区空间，headroom空间增大，skb->data指针下移，skb->tail指针不变。

skb_shared_info结构位于skb->end后，用skb_shinfo函数申请内存空间。该结构主要用以描述data内存空间的信息。

 ---------------------  ----------->  skb->head 
|                     | 
|                     | 
|      sk_buff        | 
|                     | 
|                     | 
|                     | 
|---------------------| ----------->  skb->end 
|                     | 
|   skb_share_info    | 
|                     | 
 --------------------- 
skb_clone和skb_copy可拷贝一个sk_buff结构，skb_clone方式是clone，只生成新的sk_buff内存区，不会生成新的data内存区，新sk_buff的skb->data指向旧data内存区。skb_copy方式是完全拷贝，生成新的sk_buff内存区和data内存区。。

三. skb 的分配细节
1. 关于 SKB 的分配细节.

LINUX 中 SKB 的分配最终是由函数 : struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,int fclone) 来完成.
SKB 可以分为 SKB 描述符与 SKB 数据区两个部分,其中描述符必须从 CACHE 中来分配 : 或者从skbuff_fclone_cache 中分配,或者从 skbuff_head_cache 中来分配.
如果从分配描述符失败,则直接反悔 NULL,表示 SKB 分配失败.

SKB 描述符分配成功后,即可分配数据区. 
在具体分配数据区之前首先要对数据区的长度进行 ALIGN 操作, 通过宏 SKB_DATA_ALIGN 来重新确定 size 大小. 然后戏台调用 kmalloc 函数分配数据区 :
data = kmalloc(size + sizeof(struct skb_shared_info), gfp_mask);
需要注意的是数据区的大小是 SIZE 的大小加上 skb_shared_info 结构的大小.

数据区分配成功后,便对 SKB 描述符进行与此数据区相关的赋值操作 : 
    memset(skb, 0, offsetof(struct sk_buff, truesize));
    skb->truesize = size + sizeof(struct sk_buff);
    atomic_set(&skb->users, 1);
    skb->head = data;
    skb->data = data;
    skb->tail = data;
    skb->end  = data + size;
需要主意的是, SKB 的 truesize 的大小并不包含 skb_shared_info 结构的大小. 另外,skb 的 end 成员指针也就是skb_shared_info 结构的起始指针,系统用
一个宏 : skb_shinfo 来完成寻找 skb_shared_info 结构指针的操作.

最后,系统初始化 skb_shared_info 结构的成员变量 :
    atomic_set(&(skb_shinfo(skb)->dataref), 1);
    skb_shinfo(skb)->nr_frags  = 0;
    skb_shinfo(skb)->tso_size = 0;
    skb_shinfo(skb)->tso_segs = 0;
    skb_shinfo(skb)->frag_list = NULL;
    skb_shinfo(skb)->ufo_size = 0;
    skb_shinfo(skb)->ip6_frag_id = 0;

最后,返回 SKB 的指针.

2. SKB 的分配时机
SKB 的分配时机主要有两种,最常见的一种是在网卡的中断中,有数据包到达的时,系统分配 SKB 包进行包处理; 第二种情况是主动分配 SKB 包用于各种调试或者其他处理环境.

3. SKB 的 reserve 操作
SKB 在分配的过程中使用了一个小技巧 : 即在数据区中预留了 128 个字节大小的空间作为协议头使用, 通过移动 SKB 的 data 与 tail 指针的位置来实现这个功能.

4. SKB 的 put 操作
put 操作是 SKB 中一个非常频繁也是非常重要的操作, 但是, skb_put()函数其实什么也没做!
它只是根据数据的长度移动了 tail 指针并改写了 skb->len 的值,其他的什么都没做,然后就返回了 skb->data 指针(就是 tail 指针在移动之前的位置). 看上去此函数仿佛要拷贝数据到 skb 的数据区中,其实这事儿是 insl 这个函数干的,跟 skb_put() 函数毫不相关,不过它仍然很重要.

5. 中断环境下 SKB 的分配流程
当数据到达网卡后,会触发网卡的中断,从而进入 ISR 中,系统会在 ISR 中计算出此次接收到的数据的字节数 : pkt_len, 然后调用 SKB 分配函数来分配 SKB : 
skb = dev_alloc_skb(pkt_len+5);
我们可以看到, 实际上传入的数据区的长度还要比实际接收到的字节数多,这实际上是一种保护机制. 实际上,在 dev_alloc_skb 函数调用 __dev_alloc_skb 函数,而 __dev_alloc_skb 函数又调用 alloc_skb 函数时,其数据区的大小又增加了 128 字节, 这 128 字节就事前面我们所说的 reserve 机制预留的 header 空间.

四. 不同情况下构造skb数据包的实现

http://blog.csdn.net/efan_linux/archive/2009/09/23/4580024.aspx

 在我这个网络接口的程序中（can0），其实难点就是怎样组包。怎样在原来数据包的基础加上自己的数据，怎样构造ip头，怎样构造udp头。

调试了两个星期，终于是调通了，在这个过程中，通过看内核源代码和自己组包的尝试，大概对组包的方法有了些了解，记录在此，留做备忘，也希望能给需要这方面信息的朋友一点帮助吧。

1，正常网卡收到数据包后的情况：

她的工作就是剥离mac头，然后给一些字段赋值，最后调用netif_rx将剥离mac头后的数据报（比如ip数据包）发送到上层协议。由协议栈处理。在此以ldd3中的snull为例，虽然snull跟硬件不相关，但这个过程都是类似的。

    struct sk_buff *skb;
    struct snull_priv *priv = netdev_priv(dev);

    skb = dev_alloc_skb(pkt->datalen + 2);
    if (!skb) {
        if (printk_ratelimit())
            printk(KERN_NOTICE "snull rx: low on mem - packet dropped\n");
        priv->stats.rx_dropped++;
        goto out;
    }
    skb_reserve(skb, 2); /* align IP on 16B boundary */ 
    memcpy(skb_put(skb, pkt->datalen), pkt->data, pkt->datalen);

    /* Write metadata, and then pass to the receive level */
    skb->dev = dev;
   skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
    skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY; /* don't check it */
    priv->stats.rx_packets++;
    priv->stats.rx_bytes += pkt->datalen;
    netif_rx(skb);
 

注意：上面代码中红色放大的地方是重要的。

因为此刻收到的数据包的格式如下：mac＋ip＋udp/udp＋data

这时候的处理就是剥离mac头，然后需要更新的一些域值。这些都是在函数eth_type_trans函数里做的。需要注意的是，skb->dev = dev;这条语句是很重要的，如果没有此语句，将会导致系统错误而死机（至少在我的板子上是这样的）。

注意：eth_type_trans()函数主要赋值的是：

skb->mac.raw，skb->protocol和skb->pkt_type。见下面的代码有无mac头的情况。

2，完全从一个字符串开始构造一个新的skb数据包。

以前只是看过如何修改数据包，自己构造数据包，这还是头一次，刚开始确实给我难住了，来来经过看内核代码和自己摸索，我自己写的代码如下：

/*假设：data是一个指向字符串的指针，data_len是data的长度*/

struct ipv6hdr *ipv6h;
struct udphdr *udph;
struct sk__buff * new_skb;

int length = data_len + sizeof(struct ipv6hdr) + sizeof(udphdr);
new_skb = dev_alloc_skb(length);
if(!new_skb)
    {
        printk("low memory...\n"):
        return -1;
    }

skb_reserve(new_skb,length);

memcpy(skb_push(new_skb,data_len),data,data_len);

new_skb->h.uh = udph = (struct udphdr *)skb_push(new_skb,sizeof(struct udphdr));
memcpy(udph,&udph_tmp,sizeof(struct udphdr)); //注意，此刻我的udph_tmp是在另一个过程中截获的数据包的udp头，如果完全是自己构造数据包，则需要自己填充udp数据头中的字段。

udph->len = .............. ; //此处需要给udph->len赋值。注意udph->len是__u16的。存储时是高低位互换的，所以你应该先将你要更新的数字编成16进制的数，然后高低位互换，在赋值给udh->len。

udplen = new_skb->len;

new_skb->nh.ipv6h = ipv6h = (struct ipv6hdr *)skb_push(new_skb,sizeof(struct ipv6hdr));
memcpy(ipv6h,&ipv6h_tmp,sizeof(struct ipv6hdr)); //同udp头注释。

ipb6h->payload_len = ..........； //此处同udph->len.需要注意的是，此处所指的长度并不包括ipv6头的长度，而是去掉ipv6头后的长度。

udph->check = 0;
udph->check = csum_ipv6_magic(&ipv6h->saddr, &ipv6h->daddr, udplen, IPPROTO_UDP, csum_partial((char *)udph, udplen, 0));

///////////////注意，如果是ipv4，则还需要计算ip校验和，但此处是ipv6，不用计算ip检验和，所以此处没有ipv6头的校验。//////////////////////////

new_skb->mac.raw = new_skb->data; //因为无mac头
new_skb->protocol = htons(ETH_P_IPV6); //表明包是ipv6数据包
new_skb->pkt_type = PACKET_HOST; //表明是发往本机的包

new_skb->dev = &can_control; //此处很重要，如果没有这条语句，则内核跑死。至少在我板子上是这样的。can_control是我的net_device结构体变量。

netif_rx(new_skb);
 

3，当需要改变原有skb的数据域的情况。

此时，有两种办法：
可以先判断skb的tailroom，如果空间够大，则我们可以把需要添加的数据放在skb的tailroom里。如果tailroom不够大，则需要调用skb_copy_expand函数来扩充tailroom或者headroom。
 
例如我们需要在skb的后面加上一个16个字节的字符串，则代码类似如下：
if(skb_tailroom(skb) < 16)
{
    nskb = skb_copy_expand(skb, skb_headroom(skb), skb_tailroom(skb)+16,GFP_ATOMIC);
    if(!nskb)
    {
        printk("low memory....\n");        
        dev_kfree_skb(skb);
        return -1;
    }
    
    else
    {
        kfree_skb(skb); // 注意，如果此时是钩子函数钩出来的，则skb不能在这里释放，否则会造成死机。

        skb = nskb; 
    }
    
    memcpy(skb_put(skb,16),ipbuf,16); //ipbuf为要加到skb后面的字符串

    
    udplen = skb->len - sizeof(struct ipv6hdr);
    
    udph->len += 0x1000; //换成十进制为 + 16

    ipv6h->payload_len += 0x1000;
    
    udph->check = 0;
    udph->check = csum_ipv6_magic(&ipv6h->saddr, &ipv6h->daddr, udplen, IPPROTO_UDP, csum_partial((char *)udph,udplen,0));    
    
    skb->mac.raw = new_skb->data; //因为无mac头

    skb->protocol = htons(ETH_P_IPV6); //表明包是ipv6数据包

    skb->pkt_type = PACKET_HOST; //表明是发往本机的包

    skb->dev = &can_control; //此处很重要，如果没有这条语句，则内核跑死。至少在我板子上是这样的。can_control是我的net_device结构体变量。

  netif_rx(skb);
}
 

注意：当调用skb_copy_expand或者修改了skb的数据域后，一定要更新udph->len和ipv6h->payload_len。否则上层应用（比如udp套接字）收到的数据包还是原来的数据包而不是修改后的数据包，因为udph->len的原因。