Linux内核网络协议栈技术解读

协议栈的细节

下面将介绍一些内核网络协议栈中常常涉及到的概念。

sk_buff

内核显然需要一个数据结构来表示报文，这个结构就是 sk_buff ( socket buffer 的简称)，它等同于在中描述的 BSD 内核中的 mbuf。

sk_buff 结构自身并不存储报文内容，它通过多个指针指向真正的报文内存空间:

sk_buff 是一个贯穿整个协议栈层次的结构，在各层间传递时，内核只需要调整 sk_buff 中的指针位置就行。

net_device

内核使用 net_device 表示网卡。网卡可以分为物理网卡和虚拟网卡。物理网卡是指真正能把报文发出本机的网卡，包括真实物理机的网卡以及VM虚拟机的网卡，而像 tun/tap，vxlan、veth pair 这样的则属于虚拟网卡的范畴。

如下图所示，每个网卡都有两端，一端是协议栈(IP、TCP、UDP)，另一端则有所区别，对物理网卡来说，这一端是网卡生产厂商提供的设备驱动程序，而对虚拟网卡来说差别就大了，正是由于虚拟网卡的存在，内核才能支持各种隧道封装、容器通信等功能。

socket & sock

用户空间通过 socket()、bind()、listen()、accept() 等库函数进行网络编程。而这里提到的 socket 和 sock 是内核中的两个数据结构，其中 socket 向上面向用户，而 sock 向下面向协议栈。

如下图所示，这两个结构实际上是一一对应的。

注意到，这两个结构上都有一个叫 ops 的指针, 但它们的类型不同。socket 的 ops 是一个指向 struct proto_ops 的指针，sock 的 ops 是一个指向 struct proto 的指针, 它们在结构被创建时确定。

回忆网络编程中 socket() 函数的原型：

#include 

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

实际上, socket->ops 和 sock->ops 由前两个参数 socket_family 和 socket_type 共同确定。

如果 socket_family 是最常用的 PF_INET 协议簇, 则 socket->ops 和 sock->ops 的取值就记录在 INET 协议开关表中：

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

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

L3->L4

我们知道网络协议栈是分层的，但实际上，具体到实现，内核协议栈的分层只是逻辑上的，本质还是函数调用。发送流程(上层调用下层)通常是直接调用(因为没有不确定性，比如TCP知道下面一定IP)，但接收过程不一样了，比如报文在 IP 层时，它上面可能是 TCP，也可能是 UDP，或者是 ICMP 等等，所以接收过程使用的是注册-回调机制。

还是以 INET 协议簇为例，注册接口是：

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

在内核网络子系统初始化时，L4 层协议(如下面的 TCP 和 UDP)会被注册：

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

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

而在IP层，查询过路由后，如果该报文是需要上送本机的，则会根据报文的 L4 协议，送给不同的 L4 处理：

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 如出一辙。只不过注册接口变成了：

void dev_add_pack(struct packet_type *pt)

谁会注册呢？显然至少 IP 会：

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

而在报文接收过程中，设备驱动程序会将报文的 L3 类型设置到 skb->protocol，然后在内核 netif_receive_skb 收包时，会根据这个 protocol 调用不同的回调函数：

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

Netfilter

Netfilter 是报文在内核协议栈必然会通过的路径，我们从下面这张图就可以看到，Netfilter 在内核的 5 个地方设置了 HOOK 点，用户可以通过配置 iptables 规则，在 HOOK 点对报文进行过滤、修改等操作。

在内核代码中，我们时常可见 NF_HOOK 这样的调用。我的建议是，如果你暂时不考虑 Netfilter，那么就直接跳过, 跟踪 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

内核需要确定收到的报文是应该本地上送(local deliver)还是转发(forward),对本机发送(local out)的报文需要确定是从哪个网卡发送出去，这都是内核通过查询 fib (forward information base, 转发信息表) 确定。fib 可以理解为一个数据库，数据来源是用户配置或者内核自动生成的路由。

fib 查询的输入是报文 sk_buff，输出是 dst_entry. dst_entry 会被设置到 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 中最重要的是一个 input 指针和 output 指针：

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

对于需要本机上送的报文：

rth->dst.input = ip_local_deliver;

对需要转发的报文：

rth->dst.input = ip_forward;

对本机发送的报文：

rth->dst.output = ip_output;

编辑：黄飞