協議棧的細節

下面將介紹一些內核網絡協議棧中常常涉及到的概念。

sk_buff

內核顯然需要一個數據結構來表示報文，這個結構就是 sk_buff ( socket buffer 的簡稱)，它等同于在中描述的 BSD 內核中的 mbuf。

sk_buff 結構自身并不存儲報文內容，它通過多個指針指向真正的報文內存空間:

sk_buff 是一個貫穿整個協議棧層次的結構，在各層間傳遞時，內核只需要調整 sk_buff 中的指針位置就行。

net_device

內核使用 net_device 表示網卡。網卡可以分為物理網卡和虛擬網卡。物理網卡是指真正能把報文發出本機的網卡，包括真實物理機的網卡以及VM虛擬機的網卡，而像 tun/tap，vxlan、veth pair 這樣的則屬于虛擬網卡的范疇。

如下圖所示，每個網卡都有兩端，一端是協議棧(IP、TCP、UDP)，另一端則有所區別，對物理網卡來說，這一端是網卡生產廠商提供的設備驅動程序，而對虛擬網卡來說差別就大了，正是由于虛擬網卡的存在，內核才能支持各種隧道封裝、容器通信等功能。

socket & sock

用戶空間通過 socket()、bind()、listen()、accept() 等庫函數進行網絡編程。而這里提到的 socket 和 sock 是內核中的兩個數據結構，其中 socket 向上面向用戶，而 sock 向下面向協議棧。

如下圖所示，這兩個結構實際上是一一對應的。

注意到，這兩個結構上都有一個叫 ops 的指針, 但它們的類型不同。socket 的 ops 是一個指向 struct proto_ops 的指針，sock 的 ops 是一個指向 struct proto 的指針, 它們在結構被創建時確定。

回憶網絡編程中 socket() 函數的原型：

#include?

sockfd?=?socket(int?socket_family,?int?socket_type,?int?protocol);

實際上, socket->ops 和 sock->ops 由前兩個參數 socket_family 和 socket_type 共同確定。

如果 socket_family 是最常用的 PF_INET 協議簇, 則 socket->ops 和 sock->ops 的取值就記錄在 INET 協議開關表中：

static?struct?inet_protosw?inetsw_array[]?=
{
????{
????????.type?=?????SOCK_STREAM,
????????.protocol?=?IPPROTO_TCP,
????????.prot?=?????&tcp_prot,?????????????????//?對應?sock->ops
????????.ops?=??????&inet_stream_ops,??????????//?對應?socket->ops
????????.flags?=????INET_PROTOSW_PERMANENT?|?INET_PROTOSW_ICSK,
????},

????{
????????.type?=?????SOCK_DGRAM,
????????.protocol?=?IPPROTO_UDP,
????????.prot?=?????&udp_prot,?????????????????//?對應?sock->ops
????????.ops?=??????&inet_dgram_ops,???????????//?對應?socket->ops
????????.flags?=????INET_PROTOSW_PERMANENT,
????},
}
.......

L3->L4

我們知道網絡協議棧是分層的，但實際上，具體到實現，內核協議棧的分層只是邏輯上的，本質還是函數調用。發送流程(上層調用下層)通常是直接調用(因為沒有不確定性，比如TCP知道下面一定IP)，但接收過程不一樣了，比如報文在 IP 層時，它上面可能是 TCP，也可能是 UDP，或者是 ICMP 等等，所以接收過程使用的是注冊-回調機制。

還是以 INET 協議簇為例，注冊接口是：

int?inet_add_protocol(const?struct?net_protocol?*prot,?unsigned?char?protocol);

在內核網絡子系統初始化時，L4 層協議(如下面的 TCP 和 UDP)會被注冊：

static?struct?net_protocol?tcp_protocol?=?{
????......
????.handler?=?tcp_v4_rcv,
????......
};

static?struct?net_protocol?udp_protocol?=?{
????.....
????.handler?=?udp_rcv,
????.....
};
.......

static?int?ip_local_deliver_finish(struct?net?*net,?struct?sock?*sk,?struct?sk_buff?*skb)
{
????......
????ipprot?=?rcu_dereference(inet_protos[protocol]);
????......
????ret?=?ipprot->handler(skb);?????
????......
}
.......

L2->L3

L2->L3 如出一轍。只不過注冊接口變成了：

void?dev_add_pack(struct?packet_type?*pt)

誰會注冊呢？顯然至少 IP 會：

static?struct?packet_type?ip_packet_type?=?{
????.type?=?cpu_to_be16(ETH_P_IP),
????.func?=?ip_rcv,
}
.......

而在報文接收過程中，設備驅動程序會將報文的 L3 類型設置到 skb->protocol，然后在內核 netif_receive_skb 收包時，會根據這個 protocol 調用不同的回調函數：

__netif_receive_skb(struct?sk_buff?*skb)
{
????......
????type?=?skb->protocol;
????......
????ret?=?pt_prev->func(skb,?skb->dev,?pt_prev,?orig_dev);
}
.......

Netfilter

Netfilter 是報文在內核協議棧必然會通過的路徑，我們從下面這張圖就可以看到，Netfilter 在內核的 5 個地方設置了 HOOK 點，用戶可以通過配置 iptables 規則，在 HOOK 點對報文進行過濾、修改等操作。

在內核代碼中，我們時常可見 NF_HOOK 這樣的調用。我的建議是，如果你暫時不考慮 Netfilter，那么就直接跳過, 跟蹤 okfn 就行。

static?inline?int?NF_HOOK(uint8_t?pf,?unsigned?int?hook,?struct?net?*net,?struct?sock?*sk,?
????struct?sk_buff?*skb,?struct?net_device?*in,?struct?net_device?*out,
????int?(*okfn)(struct?net?*,?struct?sock?*,?struct?sk_buff?*))
{
????int?ret?=?nf_hook(pf,?hook,?net,?sk,?skb,?in,?out,?okfn);
????if?(ret?==?1)
????????ret?=?okfn(net,?sk,?skb);
????return?ret;
}
.......

dst_entry

內核需要確定收到的報文是應該本地上送(local deliver)還是轉發(forward),對本機發送(local out)的報文需要確定是從哪個網卡發送出去，這都是內核通過查詢 fib (forward information base, 轉發信息表) 確定。fib 可以理解為一個數據庫，數據來源是用戶配置或者內核自動生成的路由。

fib 查詢的輸入是報文 sk_buff，輸出是 dst_entry. dst_entry 會被設置到 skb 上：

static?inline?void?skb_dst_set(struct?sk_buff?*skb,?struct?dst_entry?*dst)
{
????skb->_skb_refdst?=?(unsigned?long)dst;
}

而 dst_entry 中最重要的是一個 input 指針和 output 指針：

struct?dst_entry?
{
????......
????int?(*input)(struct?sk_buff?*);
????int?(*output)(struct?net?*net,?struct?sock?*sk,?struct?sk_buff?*skb);
????......
}

對于需要本機上送的報文：

rth->dst.input?=?ip_local_deliver;

對需要轉發的報文：

rth->dst.input?=?ip_forward;

對本機發送的報文：

rth->dst.output?=?ip_output;

編輯：黃飛