上一节我们讲网络包的发送，讲了上半部分，也即从 VFS 层一直到 IP 层，这一节我们接着看下去，看 IP 层和 MAC 层是如何发送数据的。
解析 ip_queue_xmit 函数
从 ip_queue_xmit 函数开始，我们就要进入 IP 层的发送逻辑了。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
|
int ip_queue_xmit(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
{
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct net *net = sock_net(sk);
struct ip_options_rcu *inet_opt;
struct flowi4 *fl4;
struct rtable *rt;
struct iphdr *iph;
int res;
inet_opt = rcu_dereference(inet->inet_opt);
fl4 = &fl->u.ip4;
rt = skb_rtable(skb);
/* Make sure we can route this packet. */
rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
if (!rt) {
__be32 daddr;
/* Use correct destination address if we have options. */
daddr = inet->inet_daddr;
......
rt = ip_route_output_ports(net, fl4, sk,
daddr, inet->inet_saddr,
inet->inet_dport,
inet->inet_sport,
sk->sk_protocol,
RT_CONN_FLAGS(sk),
sk->sk_bound_dev_if);
if (IS_ERR(rt))
goto no_route;
sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
}
skb_dst_set_noref(skb, &rt->dst);
packet_routed:
/* OK, we know where to send it, allocate and build IP header. */
skb_push(skb, sizeof(struct iphdr) + (inet_opt ? inet_opt->opt.optlen : 0));
skb_reset_network_header(skb);
iph = ip_hdr(skb);
*((__be16 *)iph) = htons((4 << 12) | (5 << 8) | (inet->tos & 0xff));
if (ip_dont_fragment(sk, &rt->dst) && !skb->ignore_df)
iph->frag_off = htons(IP_DF);
else
iph->frag_off = 0;
iph->ttl = ip_select_ttl(inet, &rt->dst);
iph->protocol = sk->sk_protocol;
ip_copy_addrs(iph, fl4);
/* Transport layer set skb->h.foo itself. */
if (inet_opt && inet_opt->opt.optlen) {
iph->ihl += inet_opt->opt.optlen >> 2;
ip_options_build(skb, &inet_opt->opt, inet->inet_daddr, rt, 0);
}
ip_select_ident_segs(net, skb, sk,
skb_shinfo(skb)->gso_segs ?: 1);
/* TODO : should we use skb->sk here instead of sk ? */
skb->priority = sk->sk_priority;
skb->mark = sk->sk_mark;
res = ip_local_out(net, sk, skb);
......
}
|
在 ip_queue_xmit 中，也即 IP 层的发送函数里面，有三部分逻辑。
第一部分，选取路由，也即我要发送这个包应该从哪个网卡出去。
这件事情主要由 ip_route_output_ports 函数完成。接下来的调用链为：ip_route_output_ports->ip_route_output_flow->__ip_route_output_key->ip_route_output_key_hash->ip_route_output_key_hash_rcu。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
|
struct rtable *ip_route_output_key_hash_rcu(struct net *net, struct flowi4 *fl4, struct fib_result *res, const struct sk_buff *skb)
{
struct net_device *dev_out = NULL;
int orig_oif = fl4->flowi4_oif;
unsigned int flags = 0;
struct rtable *rth;
......
err = fib_lookup(net, fl4, res, 0);
......
make_route:
rth = __mkroute_output(res, fl4, orig_oif, dev_out, flags);
......
}
|
ip_route_output_key_hash_rcu 先会调用 fib_lookup。
FIB全称是 Forwarding Information Base，**转发信息表。**其实就是咱们常说的路由表。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
|
static inline int fib_lookup(struct net *net, const struct flowi4 *flp, struct fib_result *res, unsigned int flags)
{ struct fib_table *tb;
......
tb = fib_get_table(net, RT_TABLE_MAIN);
if (tb)
err = fib_table_lookup(tb, flp, res, flags | FIB_LOOKUP_NOREF);
......
}
|
路由表可以有多个，一般会有一个主表，RT_TABLE_MAIN。然后 fib_table_lookup 函数在这个表里面进行查找。
路由表是一个什么样的结构呢？
路由就是在 Linux 服务器上的路由表里面配置的一条一条规则。这些规则大概是这样的：想访问某个网段，从某个网卡出去，下一跳是某个 IP。
之前我们讲过一个简单的拓扑图，里面的三台 Linux 机器的路由表都可以通过 ip route 命令查看。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
|
# Linux 服务器 A
default via 192.168.1.1 dev eth0
192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.100 metric 100
# Linux 服务器 B
default via 192.168.2.1 dev eth0
192.168.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.2.100 metric 100
# Linux 服务器做路由器
192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.1
192.168.2.0/24 dev eth1 proto kernel scope link src 192.168.2.1
|
其实，对于两端的服务器来讲，我们没有太多路由可以选，但是对于中间的 Linux 服务器做路由器来讲，这里有两条路可以选，一个是往左面转发，一个是往右面转发，就需要路由表的查找。
fib_table_lookup 的代码逻辑比较复杂，好在注释比较清楚。因为路由表要按照前缀进行查询，希望找到最长匹配的那一个，例如 192.168.2.0/24 和 192.168.0.0/16 都能匹配 192.168.2.100/24。但是，我们应该使用 192.168.2.0/24 的这一条。
为了更方面的做这个事情，我们使用了 Trie 树这种结构。比如我们有一系列的字符串：{bcs#, badge#, baby#, back#, badger#, badness#}。之所以每个字符串都加上 #，是希望不要一个字符串成为另外一个字符串的前缀。然后我们把它们放在 Trie 树中，如下图所示：
对于将 IP 地址转成二进制放入 trie 树，也是同样的道理，可以很快进行路由的查询。
找到了路由，就知道了应该从哪个网卡发出去。
然后，ip_route_output_key_hash_rcu 会调用 __mkroute_output，创建一个 struct rtable，表示找到的路由表项。这个结构是由 rt_dst_alloc 函数分配的。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
|
struct rtable *rt_dst_alloc(struct net_device *dev,
unsigned int flags, u16 type,
bool nopolicy, bool noxfrm, bool will_cache)
{
struct rtable *rt;
rt = dst_alloc(&ipv4_dst_ops, dev, 1, DST_OBSOLETE_FORCE_CHK,
(will_cache ? 0 : DST_HOST) |
(nopolicy ? DST_NOPOLICY : 0) |
(noxfrm ? DST_NOXFRM : 0));
if (rt) {
rt->rt_genid = rt_genid_ipv4(dev_net(dev));
rt->rt_flags = flags;
rt->rt_type = type;
rt->rt_is_input = 0;
rt->rt_iif = 0;
rt->rt_pmtu = 0;
rt->rt_gateway = 0;
rt->rt_uses_gateway = 0;
rt->rt_table_id = 0;
INIT_LIST_HEAD(&rt->rt_uncached);
rt->dst.output = ip_output;
if (flags & RTCF_LOCAL)
rt->dst.input = ip_local_deliver;
}
return rt;
}
|
最终返回 struct rtable 实例，第一部分也就完成了。
第二部分，就是准备 IP 层的头，往里面填充内容。这就要对着 IP 层的头的格式进行理解。
在这里面，服务类型设置为 tos，标识位里面设置是否允许分片 frag_off。如果不允许，而遇到 MTU 太小过不去的情况，就发送 ICMP 报错。TTL 是这个包的存活时间，为了防止一个 IP 包迷路以后一直存活下去，每经过一个路由器 TTL 都减一，减为零则“死去”。设置 protocol，指的是更上层的协议，这里是 TCP。源地址和目标地址由 ip_copy_addrs 设置。最后，设置 options。
第三部分，就是调用 ip_local_out 发送 IP 包。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
|
int ip_local_out(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
int err;
err = __ip_local_out(net, sk, skb);
if (likely(err == 1))
err = dst_output(net, sk, skb);
return err;
}
int __ip_local_out(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
iph->tot_len = htons(skb->len);
skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
return nf_hook(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT,
net, sk, skb, NULL, skb_dst(skb)->dev,
dst_output);
}
|
ip_local_out 先是调用 __ip_local_out，然后里面调用了 nf_hook。这是什么呢？nf 的意思是 Netfilter，这是 Linux 内核的一个机制，用于在网络发送和转发的关键节点上加上 hook 函数，这些函数可以截获数据包，对数据包进行干预。
一个著名的实现，就是内核模块 ip_tables。在用户态，还有一个客户端程序 iptables，用命令行来干预内核的规则。
iptables 有表和链的概念，最终要的是两个表。
filter 表处理过滤功能，主要包含以下三个链。
- INPUT 链：过滤所有目标地址是本机的数据包
- FORWARD 链：过滤所有路过本机的数据包
- OUTPUT 链：过滤所有由本机产生的数据包
nat 表主要处理网络地址转换，可以进行 SNAT（改变源地址）、DNAT（改变目标地址），包含以下三个链。
- PREROUTING 链：可以在数据包到达时改变目标地址
- OUTPUT 链：可以改变本地产生的数据包的目标地址
- POSTROUTING 链：在数据包离开时改变数据包的源地址
在这里，网络包马上就要发出去了，因而是 NF_INET_LOCAL_OUT，也即 ouput 链，如果用户曾经在 iptables 里面写过某些规则，就会在 nf_hook 这个函数里面起作用。
ip_local_out 再调用 dst_output，就是真正的发送数据。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
|
/* Output packet to network from transport. */
static inline int dst_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
return skb_dst(skb)->output(net, sk, skb);
}
|
这里调用的就是 struct rtable 成员 dst 的 ouput 函数。在 rt_dst_alloc 中，我们可以看到，output 函数指向的是 ip_output。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
|
int ip_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct net_device *dev = skb_dst(skb)->dev;
skb->dev = dev;
skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING,
net, sk, skb, NULL, dev,
ip_finish_output,
!(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}
|
在 ip_output 里面，我们又看到了熟悉的 NF_HOOK。这一次是 NF_INET_POST_ROUTING，也即 POSTROUTING 链，处理完之后，调用 ip_finish_output。
解析 ip_finish_output 函数
从 ip_finish_output 函数开始，发送网络包的逻辑由第三层到达第二层。ip_finish_output 最终调用 ip_finish_output2。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
|
static int ip_finish_output2(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct dst_entry *dst = skb_dst(skb);
struct rtable *rt = (struct rtable *)dst;
struct net_device *dev = dst->dev;
unsigned int hh_len = LL_RESERVED_SPACE(dev);
struct neighbour *neigh;
u32 nexthop;
......
nexthop = (__force u32) rt_nexthop(rt, ip_hdr(skb)->daddr);
neigh = __ipv4_neigh_lookup_noref(dev, nexthop);
if (unlikely(!neigh))
neigh = __neigh_create(&arp_tbl, &nexthop, dev, false);
if (!IS_ERR(neigh)) {
int res;
sock_confirm_neigh(skb, neigh);
res = neigh_output(neigh, skb);
return res;
}
......
}
|
在 ip_finish_output2 中，先找到 struct rtable 路由表里面的下一跳，下一跳一定和本机在同一个局域网中，可以通过二层进行通信，因而通过 __ipv4_neigh_lookup_noref，查找如何通过二层访问下一跳。
1
2
3
4
5
6
7
8
|
static inline struct neighbour *__ipv4_neigh_lookup_noref(struct net_device *dev, u32 key)
{
return ___neigh_lookup_noref(&arp_tbl, neigh_key_eq32, arp_hashfn, &key, dev);
}
|
__ipv4_neigh_lookup_noref 是从本地的 ARP 表中查找下一跳的 MAC 地址。ARP 表的定义如下：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
|
struct neigh_table arp_tbl = {
.family = AF_INET,
.key_len = 4,
.protocol = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
.hash = arp_hash,
.key_eq = arp_key_eq,
.constructor = arp_constructor,
.proxy_redo = parp_redo,
.id = "arp_cache",
......
.gc_interval = 30 * HZ,
.gc_thresh1 = 128,
.gc_thresh2 = 512,
.gc_thresh3 = 1024,
};
|
如果在 ARP 表中没有找到相应的项，则调用 __neigh_create 进行创建。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
|
struct neighbour *__neigh_create(struct neigh_table *tbl, const void *pkey, struct net_device *dev, bool want_ref)
{
u32 hash_val;
int key_len = tbl->key_len;
int error;
struct neighbour *n1, *rc, *n = neigh_alloc(tbl, dev);
struct neigh_hash_table *nht;
memcpy(n->primary_key, pkey, key_len);
n->dev = dev;
dev_hold(dev);
/* Protocol specific setup. */
if (tbl->constructor && (error = tbl->constructor(n)) < 0) {
......
}
......
if (atomic_read(&tbl->entries) > (1 << nht->hash_shift))
nht = neigh_hash_grow(tbl, nht->hash_shift + 1);
hash_val = tbl->hash(pkey, dev, nht->hash_rnd) >> (32 - nht->hash_shift);
for (n1 = rcu_dereference_protected(nht->hash_buckets[hash_val],
lockdep_is_held(&tbl->lock));
n1 != NULL;
n1 = rcu_dereference_protected(n1->next,
lockdep_is_held(&tbl->lock))) {
if (dev == n1->dev && !memcmp(n1->primary_key, pkey, key_len)) {
if (want_ref)
neigh_hold(n1);
rc = n1;
goto out_tbl_unlock;
}
}
......
rcu_assign_pointer(n->next,
rcu_dereference_protected(nht->hash_buckets[hash_val],
lockdep_is_held(&tbl->lock)));
rcu_assign_pointer(nht->hash_buckets[hash_val], n);
......
}
|
__neigh_create 先调用 neigh_alloc，创建一个 struct neighbour 结构，用于维护 MAC 地址和 ARP 相关的信息。这个名字也很好理解，大家都是在一个局域网里面，可以通过 MAC 地址访问到，当然是邻居了。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
|
static struct neighbour *neigh_alloc(struct neigh_table *tbl, struct net_device *dev)
{
struct neighbour *n = NULL;
unsigned long now = jiffies;
int entries;
......
n = kzalloc(tbl->entry_size + dev->neigh_priv_len, GFP_ATOMIC);
if (!n)
goto out_entries;
__skb_queue_head_init(&n->arp_queue);
rwlock_init(&n->lock);
seqlock_init(&n->ha_lock);
n->updated = n->used = now;
n->nud_state = NUD_NONE;
n->output = neigh_blackhole;
seqlock_init(&n->hh.hh_lock);
n->parms = neigh_parms_clone(&tbl->parms);
setup_timer(&n->timer, neigh_timer_handler, (unsigned long)n);
NEIGH_CACHE_STAT_INC(tbl, allocs);
n->tbl = tbl;
refcount_set(&n->refcnt, 1);
n->dead = 1;
......
}
|
在 neigh_alloc 中，我们先分配一个 struct neighbour 结构并且初始化。这里面比较重要的有两个成员，一个是 arp_queue，所以上层想通过 ARP 获取 MAC 地址的任务，都放在这个队列里面。另一个是 timer 定时器，我们设置成，过一段时间就调用 neigh_timer_handler，来处理这些 ARP 任务。
__neigh_create 然后调用了 arp_tbl 的 constructor 函数，也即调用了 arp_constructor，在这里面定义了 ARP 的操作 arp_hh_ops。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
|
static int arp_constructor(struct neighbour *neigh)
{
__be32 addr = *(__be32 *)neigh->primary_key;
struct net_device *dev = neigh->dev;
struct in_device *in_dev;
struct neigh_parms *parms;
......
neigh->type = inet_addr_type_dev_table(dev_net(dev), dev, addr);
parms = in_dev->arp_parms;
__neigh_parms_put(neigh->parms);
neigh->parms = neigh_parms_clone(parms);
......
neigh->ops = &arp_hh_ops;
......
neigh->output = neigh->ops->output;
......
}
static const struct neigh_ops arp_hh_ops = {
.family = AF_INET,
.solicit = arp_solicit,
.error_report = arp_error_report,
.output = neigh_resolve_output,
.connected_output = neigh_resolve_output,
};
|
__neigh_create 最后是将创建的 struct neighbour 结构放入一个哈希表，从里面的代码逻辑比较容易看出，这是一个数组加链表的链式哈希表，先计算出哈希值 hash_val，得到相应的链表，然后循环这个链表找到对应的项，如果找不到就在最后插入一项。
我们回到 ip_finish_output2，在 __neigh_create 之后，会调用 neigh_output 发送网络包。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
|
static inline int neigh_output(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb)
{
......
return n->output(n, skb);
}
|
按照上面对于 struct neighbour 的操作函数 arp_hh_ops 的定义，output 调用的是 neigh_resolve_output。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
int neigh_resolve_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
{
if (!neigh_event_send(neigh, skb)) {
......
rc = dev_queue_xmit(skb);
}
......
}
|
在 neigh_resolve_output 里面，首先 neigh_event_send 触发一个事件，看能否激活 ARP。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
|
int __neigh_event_send(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
{
int rc;
bool immediate_probe = false;
if (!(neigh->nud_state & (NUD_STALE | NUD_INCOMPLETE))) {
if (NEIGH_VAR(neigh->parms, MCAST_PROBES) +
NEIGH_VAR(neigh->parms, APP_PROBES)) {
unsigned long next, now = jiffies;
atomic_set(&neigh->probes,
NEIGH_VAR(neigh->parms, UCAST_PROBES));
neigh->nud_state = NUD_INCOMPLETE;
neigh->updated = now;
next = now + max(NEIGH_VAR(neigh->parms, RETRANS_TIME),
HZ/2);
neigh_add_timer(neigh, next);
immediate_probe = true;
}
......
} else if (neigh->nud_state & NUD_STALE) {
neigh_dbg(2, "neigh %p is delayed\n", neigh);
neigh->nud_state = NUD_DELAY;
neigh->updated = jiffies;
neigh_add_timer(neigh, jiffies +
NEIGH_VAR(neigh->parms, DELAY_PROBE_TIME));
}
if (neigh->nud_state == NUD_INCOMPLETE) {
if (skb) {
.......
__skb_queue_tail(&neigh->arp_queue, skb);
neigh->arp_queue_len_Bytes += skb->truesize;
}
rc = 1;
}
out_unlock_bh:
if (immediate_probe)
neigh_probe(neigh);
.......
}
|
在 __neigh_event_send 中，激活 ARP 分两种情况，第一种情况是马上激活，也即 immediate_probe。另一种情况是延迟激活则仅仅设置一个 timer。然后将 ARP 包放在 arp_queue 上。如果马上激活，就直接调用 neigh_probe；如果延迟激活，则定时器到了就会触发 neigh_timer_handler，在这里面还是会调用 neigh_probe。
我们就来看 neigh_probe 的实现，在这里面会从 arp_queue 中拿出 ARP 包来，然后调用 struct neighbour 的 solicit 操作。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
|
static void neigh_probe(struct neighbour *neigh)
__releases(neigh->lock)
{
struct sk_buff *skb = skb_peek_tail(&neigh->arp_queue);
......
if (neigh->ops->solicit)
neigh->ops->solicit(neigh, skb);
......
}
|
按照上面对于 struct neighbour 的操作函数 arp_hh_ops 的定义，solicit 调用的是 arp_solicit，在这里我们可以找到对于 arp_send_dst 的调用，创建并发送一个 arp 包，得到结果放在 struct dst_entry 里面。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
|
static void arp_send_dst(int type, int ptype, __be32 dest_ip,
struct net_device *dev, __be32 src_ip,
const unsigned char *dest_hw,
const unsigned char *src_hw,
const unsigned char *target_hw,
struct dst_entry *dst)
{
struct sk_buff *skb;
......
skb = arp_create(type, ptype, dest_ip, dev, src_ip,
dest_hw, src_hw, target_hw);
......
skb_dst_set(skb, dst_clone(dst));
arp_xmit(skb);
}
|
我们回到 neigh_resolve_output 中，当 ARP 发送完毕，就可以调用 dev_queue_xmit 发送二层网络包了。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
|
/**
* __dev_queue_xmit - transmit a buffer
* @skb: buffer to transmit
* @accel_priv: private data used for L2 forwarding offload
*
* Queue a buffer for transmission to a network device.
*/
static int __dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, void *accel_priv)
{
struct net_device *dev = skb->dev;
struct netdev_queue *txq;
struct Qdisc *q;
......
txq = netdev_pick_tx(dev, skb, accel_priv);
q = rcu_dereference_bh(txq->qdisc);
if (q->enqueue) {
rc = __dev_xmit_skb(skb, q, dev, txq);
goto out;
}
......
}
|
就像咱们在讲述硬盘块设备的时候讲过，每个块设备都有队列，用于将内核的数据放到队列里面，然后设备驱动从队列里面取出后，将数据根据具体设备的特性发送给设备。
网络设备也是类似的，对于发送来说，有一个发送队列 struct netdev_queue *txq。
这里还有另一个变量叫做 struct Qdisc，这个是什么呢？如果我们在一台 Linux 机器上运行 ip addr，我们能看到对于一个网卡，都有下面的输出。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
|
# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1400 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
link/ether fa:16:3e:75:99:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.173.32.47/21 brd 10.173.39.255 scope global noprefixroute dynamic eth0
valid_lft 67104sec preferred_lft 67104sec
inet6 fe80::f816:3eff:fe75:9908/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
|
这里面有个关键字 qdisc pfifo_fast 是什么意思呢？qdisc 全称是 queueing discipline，中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，都需要按照为这个接口配置的 qdisc（排队规则）把数据包加入队列。
最简单的 qdisc 是 pfifo，它不对进入的数据包做任何的处理，数据包采用先入先出的方式通过队列。pfifo_fast 稍微复杂一些，它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。
三个波段的优先级也不相同。band 0 的优先级最高，band 2 的最低。如果 band 0 里面有数据包，系统就不会处理 band 1 里面的数据包，band 1 和 band 2 之间也是一样。
数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配到三个波段里面的。TOS 是 IP 头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。
pfifo_fast 分为三个先入先出的队列，我们能称为三个 Band。根据网络包里面的 TOS，看这个包到底应该进入哪个队列。TOS 总共四位，每一位表示的意思不同，总共十六种类型。
通过命令行 tc qdisc show dev eth0，我们可以输出结果 priomap，也是十六个数字。在 0 到 2 之间，和 TOS 的十六种类型对应起来。不同的 TOS 对应不同的队列。其中 Band 0 优先级最高，发送完毕后才轮到 Band 1 发送，最后才是 Band 2。
1
2
3
4
|
# tc qdisc show dev eth0
qdisc pfifo_fast 0: root refcnt 2 bands 3 priomap 1 2 2 2 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
|
接下来，__dev_xmit_skb 开始进行网络包发送。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
|
static inline int __dev_xmit_skb(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *q,
struct net_device *dev,
struct netdev_queue *txq)
{
......
rc = q->enqueue(skb, q, &to_free) & NET_XMIT_MASK;
if (qdisc_run_begin(q)) {
......
__qdisc_run(q);
}
......
}
void __qdisc_run(struct Qdisc *q)
{
int quota = dev_tx_weight;
int packets;
while (qdisc_restart(q, &packets)) {
/*
* Ordered by possible occurrence: Postpone processing if
* 1. we've exceeded packet quota
* 2. another process needs the CPU;
*/
quota -= packets;
if (quota <= 0 || need_resched()) {
__netif_schedule(q);
break;
}
}
qdisc_run_end(q);
}
|
__dev_xmit_skb 会将请求放入队列，然后调用 __qdisc_run 处理队列中的数据。qdisc_restart 用于数据的发送。根据注释中的说法，qdisc 的另一个功能是用于控制网络包的发送速度，因而如果超过速度，就需要重新调度，则会调用 __netif_schedule。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
|
static void __netif_reschedule(struct Qdisc *q)
{
struct softnet_data *sd;
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
q->next_sched = NULL;
*sd->output_queue_tailp = q;
sd->output_queue_tailp = &q->next_sched;
raise_softirq_irqoff(NET_TX_SOFTIRQ);
local_irq_restore(flags);
}
|
__netif_schedule 会调用 __netif_reschedule，发起一个软中断 NET_TX_SOFTIRQ。咱们讲设备驱动程序的时候讲过，设备驱动程序处理中断，分两个过程，一个是屏蔽中断的关键处理逻辑，一个是延迟处理逻辑。当时说工作队列是延迟处理逻辑的处理方案，软中断也是一种方案。
在系统初始化的时候，我们会定义软中断的处理函数。例如，NET_TX_SOFTIRQ 的处理函数是 net_tx_action，用于发送网络包。还有一个 NET_RX_SOFTIRQ 的处理函数是 net_rx_action，用于接收网络包。接收网络包的过程咱们下一节解析。
1
2
3
4
5
6
|
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
|
这里我们来解析一下 net_tx_action。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
|
static __latent_entropy void net_tx_action(struct softirq_action *h)
{
struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
......
if (sd->output_queue) {
struct Qdisc *head;
local_irq_disable();
head = sd->output_queue;
sd->output_queue = NULL;
sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;
local_irq_enable();
while (head) {
struct Qdisc *q = head;
spinlock_t *root_lock;
head = head->next_sched;
......
qdisc_run(q);
}
}
}
|
我们会发现，net_tx_action 还是调用了 qdisc_run，还是会调用 __qdisc_run，然后调用 qdisc_restart 发送网络包。
我们来看一下 qdisc_restart 的实现。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
|
static inline int qdisc_restart(struct Qdisc *q, int *packets)
{
struct netdev_queue *txq;
struct net_device *dev;
spinlock_t *root_lock;
struct sk_buff *skb;
bool validate;
/* Dequeue packet */
skb = dequeue_skb(q, &validate, packets);
if (unlikely(!skb))
return 0;
root_lock = qdisc_lock(q);
dev = qdisc_dev(q);
txq = skb_get_tx_queue(dev, skb);
return sch_direct_xmit(skb, q, dev, txq, root_lock, validate);
}
|
qdisc_restart 将网络包从 Qdisc 的队列中拿下来，然后调用 sch_direct_xmit 进行发送。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
|
int sch_direct_xmit(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *q,
struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq,
spinlock_t *root_lock, bool validate)
{
int ret = NETDEV_TX_BUSY;
if (likely(skb)) {
if (!netif_xmit_frozen_or_stopped(txq))
skb = dev_hard_start_xmit(skb, dev, txq, &ret);
}
......
if (dev_xmit_complete(ret)) {
/* Driver sent out skb successfully or skb was consumed */
ret = qdisc_qlen(q);
} else {
/* Driver returned NETDEV_TX_BUSY - requeue skb */
ret = dev_requeue_skb(skb, q);
}
......
}
|
在 sch_direct_xmit 中，调用 dev_hard_start_xmit 进行发送，如果发送不成功，会返回 NETDEV_TX_BUSY。这说明网络卡很忙，于是就调用 dev_requeue_skb，重新放入队列。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
|
struct sk_buff *dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *first, struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq, int *ret)
{
struct sk_buff *skb = first;
int rc = NETDEV_TX_OK;
while (skb) {
struct sk_buff *next = skb->next;
rc = xmit_one(skb, dev, txq, next != NULL);
skb = next;
if (netif_xmit_stopped(txq) && skb) {
rc = NETDEV_TX_BUSY;
break;
}
}
......
}
|
在 dev_hard_start_xmit 中，是一个 while 循环。每次在队列中取出一个 sk_buff，调用 xmit_one 发送。
接下来的调用链为：xmit_one->netdev_start_xmit->__netdev_start_xmit。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
|
static inline netdev_tx_t __netdev_start_xmit(const struct net_device_ops *ops, struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, bool more)
{
skb->xmit_more = more ? 1 : 0;
return ops->ndo_start_xmit(skb, dev);
}
|
这个时候，已经到了设备驱动层了。我们能看到，drivers/net/ethernet/intel/ixgb/ixgb_main.c 里面有对于这个网卡的操作的定义。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
|
static const struct net_device_ops ixgb_netdev_ops = {
.ndo_open = ixgb_open,
.ndo_stop = ixgb_close,
.ndo_start_xmit = ixgb_xmit_frame,
.ndo_set_rx_mode = ixgb_set_multi,
.ndo_validate_addr = eth_validate_addr,
.ndo_set_mac_address = ixgb_set_mac,
.ndo_change_mtu = ixgb_change_mtu,
.ndo_tx_timeout = ixgb_tx_timeout,
.ndo_vlan_rx_add_vid = ixgb_vlan_rx_add_vid,
.ndo_vlan_rx_kill_vid = ixgb_vlan_rx_kill_vid,
.ndo_fix_features = ixgb_fix_features,
.ndo_set_features = ixgb_set_features,
};
|
在这里面，我们可以找到对于 ndo_start_xmit 的定义，调用 ixgb_xmit_frame。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
|
static netdev_tx_t
ixgb_xmit_frame(struct sk_buff *skb, struct net_device *netdev)
{
struct ixgb_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);
......
if (count) {
ixgb_tx_queue(adapter, count, vlan_id, tx_flags);
/* Make sure there is space in the ring for the next send. */
ixgb_maybe_stop_tx(netdev, &adapter->tx_ring, DESC_NEEDED);
}
......
return NETDEV_TX_OK;
}
|
在 ixgb_xmit_frame 中，我们会得到这个网卡对应的适配器，然后将其放入硬件网卡的队列中。
至此，整个发送才算结束。
总结时刻
这一节，我们继续解析了发送一个网络包的过程，我们整个过程的图画在了下面。
这个过程分成几个层次。
- VFS 层：write 系统调用找到 struct file，根据里面的 file_operations 的定义，调用 sock_write_iter 函数。sock_write_iter 函数调用 sock_sendmsg 函数。
- Socket 层：从 struct file 里面的 private_data 得到 struct socket，根据里面 ops 的定义，调用 inet_sendmsg 函数。
- Sock 层：从 struct socket 里面的 sk 得到 struct sock，根据里面 sk_prot 的定义，调用 tcp_sendmsg 函数。
- TCP 层：tcp_sendmsg 函数会调用 tcp_write_xmit 函数，tcp_write_xmit 函数会调用 tcp_transmit_skb，在这里实现了 TCP 层面向连接的逻辑。
- IP 层：扩展 struct sock，得到 struct inet_connection_sock，根据里面 icsk_af_ops 的定义，调用 ip_queue_xmit 函数。
- IP 层：ip_route_output_ports 函数里面会调用 fib_lookup 查找路由表。FIB 全称是 Forwarding Information Base，转发信息表，也就是路由表。
- 在 IP 层里面要做的另一个事情是填写 IP 层的头。
- 在 IP 层还要做的一件事情就是通过 iptables 规则。
- MAC 层：IP 层调用 ip_finish_output 进行 MAC 层。
- MAC 层需要 ARP 获得 MAC 地址，因而要调用 ___neigh_lookup_noref 查找属于同一个网段的邻居，他会调用 neigh_probe 发送 ARP。
- 有了 MAC 地址，就可以调用 dev_queue_xmit 发送二层网络包了，它会调用 __dev_xmit_skb 会将请求放入队列。
- 设备层：网络包的发送回触发一个软中断 NET_TX_SOFTIRQ 来处理队列中的数据。这个软中断的处理函数是 net_tx_action。
- 在软中断处理函数中，会将网络包从队列上拿下来，调用网络设备的传输函数 ixgb_xmit_frame，将网络包发的设备的队列上去。
课堂练习
上一节你应该通过 tcpdump 看到了 TCP 包头的格式，这一节，请你查看一下 IP 包的格式以及 ARP 的过程。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
