TCP/IP协议栈在Linux内核中的运行时序分析
一、网络体系结构概述
1.1 Internet网络协议栈协议模型
相较于OSI（Open Systems Interconnection）模型，Internet网络协议本身的模型一般主要有4层：
协议栈的底部是链路层，链路层提供对物理层访问的设备驱动程序，物理层一般就是各种介质，例如串口链路或以太网设备。链路层上面是网络层，负责接收、发送或转发数据报。网络层的上一层为传输层，负责数据传输和数据控制，提供端到端数据交换机制。最上层是应用层，它通常是一个语义层，能够理解要传输的数据，例如，超文本传输协议(HTTP)就负责传输服务器和客户机之间对web内容的请求与响应。
1.2 Linux网络栈层次结构
Linux网络协议栈的架构中最上面是用户空间中实现的应用层，而中间为内核空间中实现的网络子系统，底部为物理设备，提供了对网络的连接能力。其中中间部分正是本书的重点所在，在网络协议栈内部流动的是套接口缓冲区（skb），用于在协议栈的底层、上层以及应用层之间传递报文数据。
网络协议栈顶部是系统调用接口，为用户空间中的应用程序提供一种访问内核网络子系统的接口。下面是一个协议无关层， 它提供了一种通用方法来使用传输层协议。然后是传输层的具体协议，包括TCP、UDPO 在传输层下面是网络层。然后是邻居子系统，在邻居子系统存在的目标才是当前可以直接访问的。再下面是网络设备接口，提供了与各个设备驱动程序通信的通用接口。最底层是设备驱动程序。
系统调用接口：网络子系统提供了两种调用接口给用户进程。用户进程在进行网络调用时， 通过系统特有的网络调用接口进入内核。在内核中， 进一步调用sys_socketcall() 结束该过程，在sys-socketcall()中会根据网络系统调用号调用具体的功能。另一种系统调用接口是通过普通文件操作来访问网络子系统。虽然有很多操作是网络专用的， 比如使用socket 系统调用创建一个套接口，使用connect 系统调用连接一个服务器等，但套接口的输入/ 输出操作可以被当成典型的文件读写操作来进行。
协议无关接口：通过网络协议栈通信都需要对套接口进行操作。套接口层是一个与协议无关的接口，它提供了一组接口来支持各种协议。套接口层不但可以支持典型的TCP和UDP协议，还可以支持RAW套接口、RAW 以太网和其他传输协议，Linux中用socket结构描述套接口，代表一条通信链路的一端，用来存储与该链路有关的所有信息。这些信息包括所使用的协议、协议的状态信息（ 包括源和目的地址）、到达的连接队列、数据缓存和可选标志等。其中最关键的成员是sk和ops，前者指向与该套接口相关的传输控制块，后者指向特定传输协议的操作集。
传输层协议：传输层使用传输控制块存放套接口所需的信息。传输控制块按协议而异，TCP 传输控制块、UDP 传输控制块、RAW传输控制。
设备无关接口：网络协议栈底部是一个与硬件无关的接口层，它将网络层的不同协议与各种网络设备连接在一起。设备无关接口提供了一组通用函数供底层网络设备驱动程序和上层协议栈调用，这样当输出数据时协议栈不必关心底层的网络设备，而当输入数据时网络设备驱动同样也不必关心上层的协议栈。
设备驱动程序：网络设备由net_device结构来描述，每个网络设备都会有一个对应的实例，然后调用register_netdevice()注册到系统中，注册过的网络设备可通过unregister_netdevice() 注销。
二、网络模块初始化
Linux 内核的初始化过程之所以复杂，是因为它同时支持静态加载和动态加载内核模块。动态加载内核模块提高了系统的灵活性，但也因此需要考虑更多的方面。设备驱动程序可以静态地编译到内核中，也可以作为一个内核模块动态地装载和卸载。此外，由于支持热插拔设备，因此还需考虑在热插拔情况下的初始化工作。系统启动初始化时，一旦进入start_kenel()，则说明低级初始化己完成，接下来是对各种设备和子系统的初始化。
三、数据发送
3.1 BSD Socket层
3.1.1 相关文件
涉及到该层的文件为net/socket.c，socket.c文件中定义的函数是作为网络栈的最上层实现函数，也就是第一层被调用的函数。提供了诸如socket、bind、send、sendto、recvfrom等函数，功能都较为直接。
3.1.2 相关流程
数据传输时，socket建立好了以后，使用send()函数发送数据，紧接着内核中BSD Socket层中的__sys_sendto()函数被调用，该函数实现如下：
/*
* Send a datagram to a given address. We move the address into kernel
* space and check the user space data area is readable before invoking
* the protocol.
*/
int __sys_sendto(int fd, void __user *buff, size_t len, unsigned int flags,
struct sockaddr __user *addr, int addr_len)
{
struct socket *sock;
struct sockaddr_storage address;
int err;
struct msghdr msg;
struct iovec iov;
int fput_needed;
err = import_single_range(WRITE, buff, len, &iov, &msg.msg_iter);
if (unlikely(err))
return err;
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
if (!sock)
goto out;
msg.msg_name = NULL;
msg.msg_control = NULL;
msg.msg_controllen = 0;
msg.msg_namelen = 0;
if (addr) {
err = move_addr_to_kernel(addr, addr_len, &address);
if (err < 0)
goto out_put;
msg.msg_name = (struct sockaddr *)&address;
msg.msg_namelen = addr_len;
}
if (sock->file->f_flags & O_NONBLOCK)
flags |= MSG_DONTWAIT;
msg.msg_flags = flags;
err = sock_sendmsg(sock, &msg);
out_put:
fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
return err;
}
该函数主要工作是构建了一个结构体msghdr{}，然后继续将消息向下移交，msghdr{}是内核中BSD Socket层中保存数据的数据结构，其中还嵌套了一个iovec{}结构体是专门用来缓冲待发送数据的一个缓冲区，指向用户层待发送数据的地址。__sys_sendto()函数完成msghdr{}的构建以后，调用sock_sendmsg()——>sock_sendmsg_nosec()函数继续移交消息类：
static inline int sock_sendmsg_nosec(struct socket *sock, struct msghdr *msg)
{
int ret = INDIRECT_CALL_INET(sock->ops->sendmsg, inet6_sendmsg,
inet_sendmsg, sock, msg,
msg_data_left(msg));
BUG_ON(ret == -EIOCBQUEUED);
return ret;
}
可以清晰的看出sock_sendmsg_nosec()函数中间接调用了inet_sendmsg()函数，至此数据就已经离开了BSD Socket层进入INET Socket层中了。
3.2 INET Socket层
3.2.1 相关文件
INET Socket层的实现在net/inet/af_inet.c文件中，该文件中定义的函数作为INET域表示层的操作接口而存在，该层以及该层以下的通用数据结构为sock{}，定义在net/inet/sock.h中，sock{}将会作为一个通用的数据结构在INET层、传输层、网络层、数据链路层中连接使用，使用范围非常广泛。
3.2.2 相关流程
inet_sendmsg()函数作为该层的发送数据入口接收BSD Socket层发出的msghdr{}数据：
int inet_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size)
{
struct sock *sk = sock->sk;
if (unlikely(inet_send_prepare(sk)))
return -EAGAIN;
return INDIRECT_CALL_2(sk->sk_prot->sendmsg, tcp_sendmsg, udp_sendmsg,
sk, msg, size);
}
函数中调用 sock_rps_record_flow 来记录最后一个处理该（数据所属的）flow 的 CPU; Receive Packet Steering会用到这个信息。紧接着根据传输层类型来向下一层传输层移交数据，至此数据离开INET Socket层，进入传输层。
3.3 传输层
3.3.1 相关文件
传输层的TCP实现在/net/inet/tcp.c文件中，提供面向连接的可靠性全双工数据传输，该文件是协议栈中实现较为复杂的文件，囊括了超时重传、数据应答、拥塞避免、序列号确认等内容。本报告只涉及数据收发的内容。
3.3.2 相关流程
tcp_sendmsg()函数接收了来自上一层的数据，加锁以后移交到tcp_sendmsg_locked()函数中：
int tcp_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
int ret;
lock_sock(sk);
ret = tcp_sendmsg_locked(sk, msg, size);
release_sock(sk);
return ret;
}
int tcp_sendmsg_locked(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);/*进行了强制类型转换*/
struct sk_buff *skb;
flags = msg->msg_flags;
......
if (copied)
tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now,
TCP_NAGLE_PUSH, size_goal);
}
在tcp_sendmsg_locked（）中，完成的是将所有的数据组织成发送队列,这个发送队列是sock{}结构中的一个域sk_write_queue，这个队列的每一个元素是一个skb，里面存放的就是待发送的数据。然后调用了tcp_push()函数。在tcp协议的头部有几个标志字段：URG、ACK、RSH、RST、SYN、FIN，tcp_push中会判断这个skb的元素是否需要push，如果需要就将tcp头部字段的push置一，置一的过程如下：
static void tcp_push(struct sock *sk, int flags, int mss_now,
int nonagle, int size_goal)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
skb = tcp_write_queue_tail(sk);
if (!skb)
return;
if (!(flags & MSG_MORE) || forced_push(tp))
tcp_mark_push(tp, skb);
tcp_mark_urg(tp, flags);
if (tcp_should_autocork(sk, skb, size_goal)) {
/* avoid atomic op if TSQ_THROTTLED bit is already set */
if (!test_bit(TSQ_THROTTLED, &sk->sk_tsq_flags)) {
NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPAUTOCORKING);
set_bit(TSQ_THROTTLED, &sk->sk_tsq_flags);
}
/* It is possible TX completion already happened
* before we set TSQ_THROTTLED.
*/
if (refcount_read(&sk->sk_wmem_alloc) > skb->truesize)
return;
}
if (flags & MSG_MORE)
nonagle = TCP_NAGLE_CORK;
__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, nonagle);
}
整个过程会有点绕，首先tcp_skb_cb{}结构体存放的就是tcp的头部，头部的控制位为tcp_flags，通过tcp_mark_push会将skb中的cb，也就是48个字节的数组，类型转换为struct tcp_skb_cb，这样位于skb的cb就成了tcp的头部。
static inline void tcp_mark_push(struct tcp_sock *tp, struct sk_buff *skb)
{
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags |= TCPHDR_PSH;
tp->pushed_seq = tp->write_seq;
}
/* This is what the send packet queuing engine uses to pass
* TCP per-packet control information to the transmission code.
* We also store the host-order sequence numbers in here too.
* This is 44 bytes if IPV6 is enabled.
* If this grows please adjust skbuff.h:skbuff->cb[xxx] size appropriately.
*/
struct tcp_skb_cb {
__u32 seq; /* Starting sequence number */
__u32 end_seq; /* SEQ + FIN + SYN + datalen */
union {
/* Note : tcp_tw_isn is used in input path only
* (isn chosen by tcp_timewait_state_process())
*
* tcp_gso_segs/size are used in write queue only,
* cf tcp_skb_pcount()/tcp_skb_mss()
*/
__u32 tcp_tw_isn;
struct {
u16 tcp_gso_segs;
u16 tcp_gso_size;
};
};
__u8 tcp_flags; /* TCP header flags. (tcp[13]) */
__u8 sacked; /* State flags for SACK. */
#define TCPCB_SACKED_ACKED 0x01 /* SKB ACK'd by a SACK block */
#define TCPCB_SACKED_RETRANS 0x02 /* SKB retransmitted */
#define TCPCB_LOST 0x04 /* SKB is lost */
#define TCPCB_TAGBITS 0x07 /* All tag bits */
#define TCPCB_REPAIRED 0x10 /* SKB repaired (no skb_mstamp_ns) */
#define TCPCB_EVER_RETRANS 0x80 /* Ever retransmitted frame */
#define TCPCB_RETRANS (TCPCB_SACKED_RETRANS|TCPCB_EVER_RETRANS| \
TCPCB_REPAIRED)
__u8 ip_dsfield; /* IPv4 tos or IPv6 dsfield */
__u8 txstamp_ack:1, /* Record TX timestamp for ack? */
eor:1, /* Is skb MSG_EOR marked? */
has_rxtstamp:1, /* SKB has a RX timestamp */
unused:5;
__u32 ack_seq; /* Sequence number ACK'd */
union {
struct {
/* There is space for up to 24 bytes */
__u32 in_flight:30,/* Bytes in flight at transmit */
is_app_limited:1, /* cwnd not fully used? */
unused:1;
/* pkts S/ACKed so far upon tx of skb, incl retrans: */
__u32 delivered;
/* start of send pipeline phase */
u64 first_tx_mstamp;
/* when we reached the "delivered" count */
u64 delivered_mstamp;
} tx; /* only used for outgoing skbs */
union {
struct inet_skb_parm h4;
#if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)
struct inet6_skb_parm h6;
#endif
} header; /* For incoming skbs */
struct {
__u32 flags;
struct sock *sk_redir;
void *data_end;
} bpf;
};
};
然后,tcp_push调用了__tcp_push_pending_frames()——>tcp_write_xmit()函数发送数据:
void __tcp_push_pending_frames(struct sock *sk, unsigned int cur_mss,
int nonagle)
{
/* If we are closed, the bytes will have to remain here.
* In time closedown will finish, we empty the write queue and
* all will be happy.
*/
if (unlikely(sk->sk_state == TCP_CLOSE))
return;
if (tcp_write_xmit(sk, cur_mss, nonagle, 0,
sk_gfp_mask(sk, GFP_ATOMIC)))
tcp_check_probe_timer(sk);
}
/* This routine writes packets to the network. It advances the
* send_head. This happens as incoming acks open up the remote
* window for us.
*
* LARGESEND note: !tcp_urg_mode is overkill, only frames between
* snd_up-64k-mss .. snd_up cannot be large. However, taking into
* account rare use of URG, this is not a big flaw.
*
* Send at most one packet when push_one > 0. Temporarily ignore
* cwnd limit to force at most one packet out when push_one == 2.
* Returns true, if no segments are in flight and we have queued segments,
* but cannot send anything now because of SWS or another problem.
*/
static bool tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle,
int push_one, gfp_t gfp)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
unsigned int tso_segs, sent_pkts;
int cwnd_quota;
int result;
bool is_cwnd_limited = false, is_rwnd_limited = false;
u32 max_segs;
sent_pkts = 0;
tcp_mstamp_refresh(tp);
if (!push_one) {
/* Do MTU probing. */
result = tcp_mtu_probe(sk);
if (!result) {
return false;
} else if (result > 0) {
sent_pkts = 1;
}
}
max_segs = tcp_tso_segs(sk, mss_now);
while ((skb = tcp_send_head(sk))) {
unsigned int limit;
if (unlikely(tp->repair) && tp->repair_queue == TCP_SEND_QUEUE) {
/* "skb_mstamp_ns" is used as a start point for the retransmit timer */
skb->skb_mstamp_ns = tp->tcp_wstamp_ns = tp->tcp_clock_cache;
list_move_tail(&skb->tcp_tsorted_anchor, &tp->tsorted_sent_queue);
tcp_init_tso_segs(skb, mss_now);
goto repair; /* Skip network transmission */
}
if (tcp_pacing_check(sk))
break;
tso_segs = tcp_init_tso_segs(skb, mss_now);
BUG_ON(!tso_segs);
cwnd_quota = tcp_cwnd_test(tp, skb);
if (!cwnd_quota) {
if (push_one == 2)
/* Force out a loss probe pkt. */
cwnd_quota = 1;
else
break;
}
if (unlikely(!tcp_snd_wnd_test(tp, skb, mss_now))) {
is_rwnd_limited = true;
break;
}
if (tso_segs == 1) {
if (unlikely(!tcp_nagle_test(tp, skb, mss_now,
(tcp_skb_is_last(sk, skb) ?
nonagle : TCP_NAGLE_PUSH))))
break;
} else {
if (!push_one &&
tcp_tso_should_defer(sk, skb, &is_cwnd_limited,
&is_rwnd_limited, max_segs))
break;
}
limit = mss_now;
if (tso_segs > 1 && !tcp_urg_mode(tp))
limit = tcp_mss_split_point(sk, skb, mss_now,
min_t(unsigned int,
cwnd_quota,
max_segs),
nonagle);
if (skb->len > limit &&
unlikely(tso_fragment(sk, skb, limit, mss_now, gfp)))
break;
if (tcp_small_queue_check(sk, skb, 0))
break;
/* Argh, we hit an empty skb(), presumably a thread
* is sleeping in sendmsg()/sk_stream_wait_memory().
* We do not want to send a pure-ack packet and have
* a strange looking rtx queue with empty packet(s).
*/
if (TCP_SKB_CB(skb)->end_seq == TCP_SKB_CB(skb)->seq)
break;
if (unlikely(tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp)))
break;
repair:
/* Advance the send_head. This one is sent out.
* This call will increment packets_out.
*/
tcp_event_new_data_sent(sk, skb);
tcp_minshall_update(tp, mss_now, skb);
sent_pkts += tcp_skb_pcount(skb);
if (push_one)
break;
}
if (is_rwnd_limited)
tcp_chrono_start(sk, TCP_CHRONO_RWND_LIMITED);
else
tcp_chrono_stop(sk, TCP_CHRONO_RWND_LIMITED);
if (likely(sent_pkts)) {
if (tcp_in_cwnd_reduction(sk))
tp->prr_out += sent_pkts;
/* Send one loss probe per tail loss episode. */
if (push_one != 2)
tcp_schedule_loss_probe(sk, false);
is_cwnd_limited |= (tcp_packets_in_flight(tp) >= tp->snd_cwnd);
tcp_cwnd_validate(sk, is_cwnd_limited);
return false;
}
return !tp->packets_out && !tcp_write_queue_empty(sk);
}
tcp_write_xmit位于tcpoutput.c中，它实现了tcp的拥塞控制，然后调用了tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp)传输数据，实际上调用的是__tcp_transmit_skb()：
static int __tcp_transmit_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
int clone_it, gfp_t gfp_mask, u32 rcv_nxt)
{
skb_push(skb, tcp_header_size);
skb_reset_transport_header(skb);
......
/* 构建TCP头部和校验和 */
th = (struct tcphdr *)skb->data;
th->source = inet->inet_sport;
th->dest = inet->inet_dport;
th->seq = htonl(tcb->seq);
th->ack_seq = htonl(rcv_nxt);
tcp_options_write((__be32 *)(th + 1), tp, &opts);
skb_shinfo(skb)->gso_type = sk->sk_gso_type;
if (likely(!(tcb->tcp_flags & TCPHDR_SYN))) {
th->window = htons(tcp_select_window(sk));
tcp_ecn_send(sk, skb, th, tcp_header_size);
} else {
/* RFC1323: The window in SYN & SYN/ACK segments
* is never scaled.
*/
th->window = htons(min(tp->rcv_wnd, 65535U));
}
......
icsk->icsk_af_ops->send_check(sk, skb);
if (likely(tcb->tcp_flags & TCPHDR_ACK))
tcp_event_ack_sent(sk, tcp_skb_pcount(skb), rcv_nxt);
if (skb->len != tcp_header_size) {
tcp_event_data_sent(tp, sk);
tp->data_segs_out += tcp_skb_pcount(skb);
tp->bytes_sent += skb->len - tcp_header_size;
}
if (after(tcb->end_seq, tp->snd_nxt) || tcb->seq == tcb->end_seq)
TCP_ADD_STATS(sock_net(sk), TCP_MIB_OUTSEGS,
tcp_skb_pcount(skb));
tp->segs_out += tcp_skb_pcount(skb);
/* OK, its time to fill skb_shinfo(skb)->gso_{segs|size} */
skb_shinfo(skb)->gso_segs = tcp_skb_pcount(skb);
skb_shinfo(skb)->gso_size = tcp_skb_mss(skb);
/* Leave earliest departure time in skb->tstamp (skb->skb_mstamp_ns) */
/* Cleanup our debris for IP stacks */
memset(skb->cb, 0, max(sizeof(struct inet_skb_parm),
sizeof(struct inet6_skb_parm)));
err = icsk->icsk_af_ops->queue_xmit(sk, skb, &inet->cork.fl);
......
}
tcp_transmit_skb是tcp发送数据位于传输层的最后一步，这里首先对TCP数据段的头部进行了处理，然后调用了网络层提供的发送接口icsk->icsk_af_ops->queue_xmit(sk, skb, &inet->cork.fl);实现了数据的发送，自此，数据离开了传输层，进入网络层。
3.4 网络层
3.4.1 相关文件
网络层实现在net/inet/ip.c文件中。
3.4.2 相关流程
入口函数是ip_queue_xmit，ip_queue_xmit是 ip 层提供给 tcp 层发送回调函数。ip_queue_xmit()完成面向连接套接字的包输出，当套接字处于连接状态时,所有从套接字发出的包都具有确定的路由, 无需为每一个输出包查询它的目的入口,可将套接字直接绑定到路由入口上, 这由套接字的目的缓冲指针(dst_cache)来完成。ip_queue_xmit()首先为输入包建立IP包头, 经过本地包过滤器后,再将IP包分片输出(ip_fragment)。通过调用链ip_queue_xmit()——>__ip_queue_xmit():
/* Note: skb->sk can be different from sk, in case of tunnels */
int __ip_queue_xmit(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct flowi *fl,
__u8 tos)
{
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;
/* Skip all of this if the packet is already routed,
* f.e. by something like SCTP.
*/
rcu_read_lock();
inet_opt = rcu_dereference(inet->inet_opt);
fl4 = &fl->u.ip4;
//獲取skb中的路由緩存
rt = skb_rtable(skb);
if (rt)
goto packet_routed;
/* Make sure we can route this packet. */
rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
if (!rt) {
__be32 daddr;
Skb_rtable(skb)获取 skb 中的路由缓存，然后判断是否有缓存，如果有缓存就直接进行packet_routed函数，否则就 执行ip_route_output_ports查找路由缓存:
/* 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);
rcu_read_unlock();
return res;
最后调用 ip_local_out得到返回值res：
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;
}
同函数ip_queue_xmit一样，ip_local_out函数内部调用__ip_local_out:
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);
ip_send_check(iph);
/* if egress device is enslaved to an L3 master device pass the
* skb to its handler for processing
*/
skb = l3mdev_ip_out(sk, skb);
if (unlikely(!skb))
return 0;
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);
}
发现返回一个nf_hook函数，里面调用了dst_output，这个函数实质上是调用ip_finish__output函数,ip_finish__output函数内部在调用__ip_finish_output函数:
static int __ip_finish_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
unsigned int mtu;
#if defined(CONFIG_NETFILTER) && defined(CONFIG_XFRM)
/* Policy lookup after SNAT yielded a new policy */
if (skb_dst(skb)->xfrm) {
IPCB(skb)->flags |= IPSKB_REROUTED;
return dst_output(net, sk, skb);
}
#endif
mtu = ip_skb_dst_mtu(sk, skb);
if (skb_is_gso(skb))
return ip_finish_output_gso(net, sk, skb, mtu);
if (skb->len > mtu || (IPCB(skb)->flags & IPSKB_FRAG_PMTU))
return ip_fragment(net, sk, skb, mtu, ip_finish_output2);
return ip_finish_output2(net, sk, skb);
}
如果分片就调用ip_fragment,否则就调用ip_fragment函数：
static int ip_fragment(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
unsigned int mtu,
int (*output)(struct net *, struct sock *, struct sk_buff *))
{
struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
if ((iph->frag_off & htons(IP_DF)) == 0)
return ip_do_fragment(net, sk, skb, output);
if (unlikely(!skb->ignore_df ||
(IPCB(skb)->frag_max_size &&
IPCB(skb)->frag_max_size > mtu))) {
IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_FRAGFAILS);
icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_FRAG_NEEDED,
htonl(mtu));
kfree_skb(skb);
return -EMSGSIZE;
}
return ip_do_fragment(net, sk, skb, output);
}
在构造好 ip 头，检查完分片之后，会调用邻居子系统的输出函数 neigh_output进行输出。最后调用dev_queue_xmit函数进行向下层发送包。至此数据离开网络层进入数据链路层。
3.5 数据链路层
3.5.1 相关文件
数据链路层实现在net/inet/dev.c文件中，该文件定义函数集合完成网络设备驱动层和网络层之间数据包的交换。
3.5.2 相关流程
发送端调用dev_queue_xmit,函数在调用__dev_queue_xmit：
static int __dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *sb_dev){
.......
* Check this and shot the lock. It is not prone from deadlocks.
*Either shot noqueue qdisc, it is even simpler 8)
*/
if (dev->flags & IFF_UP) {
int cpu = smp_processor_id(); /* ok because BHs are off */
if (txq->xmit_lock_owner != cpu) {
if (dev_xmit_recursion())
goto recursion_alert;
skb = validate_xmit_skb(skb, dev, &again);
if (!skb)
goto out;
HARD_TX_LOCK(dev, txq, cpu);
if (!netif_xmit_stopped(txq)) {
dev_xmit_recursion_inc();
skb = dev_hard_start_xmit(skb, dev, txq, &rc);
dev_xmit_recursion_dec();
if (dev_xmit_complete(rc)) {c
HARD_TX_UNLOCK(dev, txq);
goto out;
}
}
}
__dev_queue_xmit会调用dev_hard_start_xmit函数获取skb:
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;
skb_mark_not_on_list(skb);
rc = xmit_one(skb, dev, txq, next != NULL);
if (unlikely(!dev_xmit_complete(rc))) {
skb->next = next;
goto out;
}
skb = next;
if (netif_tx_queue_stopped(txq) && skb) {
rc = NETDEV_TX_BUSY;
break;
}
}
out:
*ret = rc;
return skb;
}
rc = xmit_one(skb, dev, txq, next != NULL);在xmit_one中调用__net_dev_start_xmit函数。一旦网卡完成报文发送，将产生中断通知 CPU，然后驱动层中的中断处理程序就可以删 除保存的skb，至此数据离开数据链路层。
四、数据接收
4.1 数据链路层
4.1.1 相关流程
与发送数据相对应，数据链路层接受数据的入口函数是net_rx_action：
static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
unsigned long time_limit = jiffies +
usecs_to_jiffies(netdev_budget_usecs);
int budget = netdev_budget;
LIST_HEAD(list);
LIST_HEAD(repoll);
local_irq_disable();
list_splice_init(&sd->poll_list, &list);
local_irq_enable();
for (;;) {
struct napi_struct *n;
if (list_empty(&list)) {
if (!sd_has_rps_ipi_waiting(sd) && list_empty(&repoll))
goto out;
break;
}
n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list);
budget -= napi_poll(n, &repoll);
进入函数napi_poll，进一步调用napi_gro_receive函数:
gro_result_t napi_gro_receive(struct napi_struct *napi, struct sk_buff *skb)
{
gro_result_t ret;
skb_mark_napi_id(skb, napi);
trace_napi_gro_receive_entry(skb);
skb_gro_reset_offset(skb);
ret = napi_skb_finish(dev_gro_receive(napi, skb), skb);
trace_napi_gro_receive_exit(ret);
return ret;
}
napi_gro_receive 会直接调用 netif_receive_skb_core。而它会调用__netif_receive_skb_one_core，将数据包交给上层ip_rcv进行处理。
4.2 网络层
4.2.1 相关流程
IP 层的入口函数在 ip_rcv 函数。该函数首先会做包括 package checksum 在内的各种检查，如果需要的话会做 IP defragment（将多个分片合并），然后 packet 调用已经注册的 Pre-routing netfilter hook ，完成后最终到达 ip_rcv_finish 函数。ip_rcv_finish 函数会调用 ip_router_input 函数，进入路由处理环节。它首先会调用 ip_route_input 来更新路由，然后查找 route，决定该 package 将会被发到本机还是会被转发还是丢弃:
/*
* IP receive entry point
*/
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt,
struct net_device *orig_dev)
{
struct net *net = dev_net(dev);
skb = ip_rcv_core(skb, net);
if (skb == NULL)
return NET_RX_DROP;
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING,
net, NULL, skb, dev, NULL,
ip_rcv_finish);
}
ip_rcv函数内部会调用ip_rcv_finish函数：
static int ip_rcv_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct net_device *dev = skb->dev;
int ret;
/* if ingress device is enslaved to an L3 master device pass the
* skb to its handler for processing
*/
skb = l3mdev_ip_rcv(skb);
if (!skb)
return NET_RX_SUCCESS;
ret = ip_rcv_finish_core(net, sk, skb, dev);
if (ret != NET_RX_DROP)
ret = dst_input(skb);
return ret;
}
dst_input函数会进一步调用ip_local_deliver函数：
int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb)
{
/*
* Reassemble IP fragments.
*/
struct net *net = dev_net(skb->dev);
if (ip_is_fragment(ip_hdr(skb))) {
if (ip_defrag(net, skb, IP_DEFRAG_LOCAL_DELIVER))
return 0;
}
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_IN,
net, NULL, skb, skb->dev, NULL,
ip_local_deliver_finish);
}
最后调用ip_protocol_deliver_rcu函数：
void ip_protocol_deliver_rcu(struct net *net, struct sk_buff *skb, int protocol)
{
const struct net_protocol *ipprot;
int raw, ret;
resubmit:
raw = raw_local_deliver(skb, protocol);
ipprot = rcu_dereference(inet_protos[protocol]);
if (ipprot) {
if (!ipprot->no_policy) {
if (!xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_IN, skb)) {
kfree_skb(skb);
return;
}
nf_reset_ct(skb);
}
ret = INDIRECT_CALL_2(ipprot->handler, tcp_v4_rcv, udp_rcv,
skb);
if (ret < 0) {
protocol = -ret;
goto resubmit;
}
__IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_INDELIVERS);
} else {
if (!raw) {
if (xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_IN, skb)) {
__IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_INUNKNOWNPROTOS);
icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH,
ICMP_PROT_UNREACH, 0);
}
kfree_skb(skb);
} else {
__IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_INDELIVERS);
consume_skb(skb);
}
}
}
4.3 传输层
4.3.1 相关流程
tcp_v4_rcv函数为TCP的总入口，数据包从IP层传递上来，进入该函数；其协议操作函数结构如下所示，其中handler即为IP层向TCP传递数据包的回调函数，设置为tcp_v4_rcv:
static struct net_protocol tcp_protocol = {
.early_demux = tcp_v4_early_demux,
.early_demux_handler = tcp_v4_early_demux,
.handler = tcp_v4_rcv,
.err_handler = tcp_v4_err,
.no_policy = 1,
.netns_ok = 1,
.icmp_strict_tag_validation = 1,
};
tcp_v4_rcv函数只要做以下几个工作：(1) 设置TCP_CB (2) 查找控制块 (3)根据控制块状态做不同处理，包括TCP_TIME_WAIT状态处理，TCP_NEW_SYN_RECV状态处理，TCP_LISTEN状态处理 (4) 接收TCP段；之后，调用的也就是__sys_recvfrom，整个函数的调用路径与send非常类似。整个函数实际调用的是sock->ops->recvmsg(sock, msg, msg_data_left(msg), flags)，同样，根据tcp_prot结构的初始化，调用的其实是tcp_rcvmsg .接受函数比发送函数要复杂得多，因为数据接收不仅仅只是接收，tcp的三次握手也是在接收函数实现的，所以收到数据后要判断当前的状态，是否正在建立连接等，根据发来的信息考虑状态是否要改变，在这里，我们仅仅考虑在连接建立后数据的接收。
int tcp_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len, int nonblock,
int flags, int *addr_len)
{
......
if (sk_can_busy_loop(sk) && skb_queue_empty(&sk->sk_receive_queue) &&
(sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED))
sk_busy_loop(sk, nonblock);
lock_sock(sk);
.....
if (unlikely(tp->repair)) {
err = -EPERM;
if (!(flags & MSG_PEEK))
goto out;
if (tp->repair_queue == TCP_SEND_QUEUE)
goto recv_sndq;
err = -EINVAL;
if (tp->repair_queue == TCP_NO_QUEUE)
goto out;
......
last = skb_peek_tail(&sk->sk_receive_queue);
skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) {
last = skb;
......
if (!(flags & MSG_TRUNC)) {
err = skb_copy_datagram_msg(skb, offset, msg, used);
if (err) {
/* Exception. Bailout! */
if (!copied)
copied = -EFAULT;
break;
}
}
*seq += used;
copied += used;
len -= used;
tcp_rcv_space_adjust(sk);
这里共维护了三个队列：prequeue、backlog、receive_queue，分别为预处理队列，后备队列和接收队列，在连接建立后，若没有数据到来，接收队列为空，进程会在sk_busy_loop函数内循环等待，知道接收队列不为空，并调用函数数skb_copy_datagram_msg将接收到的数据拷贝到用户态，实际调用的是__skb_datagram_iter,这里同样用了struct msghdr *msg来实现。
int __skb_datagram_iter(const struct sk_buff *skb, int offset,
struct iov_iter *to, int len, bool fault_short,
size_t (*cb)(const void *, size_t, void *, struct iov_iter *),
void *data)
{
int start = skb_headlen(skb);
int i, copy = start - offset, start_off = offset, n;
struct sk_buff *frag_iter;
/* 拷贝tcp头部 */
if (copy > 0) {
if (copy > len)
copy = len;
n = cb(skb->data + offset, copy, data, to);
offset += n;
if (n != copy)
goto short_copy;
if ((len -= copy) == 0)
return 0;
}
/* 拷贝数据部分 */
for (i = 0; i < skb_shinfo(skb)->nr_frags; i++) {
int end;
const skb_frag_t *frag = &skb_shinfo(skb)->frags[i];
WARN_ON(start > offset + len);
end = start + skb_frag_size(frag);
if ((copy = end - offset) > 0) {
struct page *page = skb_frag_page(frag);
u8 *vaddr = kmap(page);
if (copy > len)
copy = len;
n = cb(vaddr + frag->page_offset +
offset - start, copy, data, to);
kunmap(page);
offset += n;
if (n != copy)
goto short_copy;
if (!(len -= copy))
return 0;
}
start = end;
}
4.4 插口层
4.4.1 相关流程
对于recv函数，与send类似，自然也是recvfrom的特殊情况，调用的也就是__sys_recvfrom，整个函数的调用路径与send非常类似：
int __sys_recvfrom(int fd, void __user *ubuf, size_t size, unsigned int flags,
struct sockaddr __user *addr, int __user *addr_len)
{
......
err = import_single_range(READ, ubuf, size, &iov, &msg.msg_iter);
if (unlikely(err))
return err;
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
.....
msg.msg_control = NULL;
msg.msg_controllen = 0;
/* Save some cycles and don't copy the address if not needed */
msg.msg_name = addr ? (struct sockaddr *)&address : NULL;
/* We assume all kernel code knows the size of sockaddr_storage */
msg.msg_namelen = 0;
msg.msg_iocb = NULL;
msg.msg_flags = 0;
if (sock->file->f_flags & O_NONBLOCK)
flags |= MSG_DONTWAIT;
err = sock_recvmsg(sock, &msg, flags);
if (err >= 0 && addr != NULL) {
err2 = move_addr_to_user(&address,
msg.msg_namelen, addr, addr_len);
.....
}
__sys_recvfrom调用了sock_recvmsg来接收数据，整个函数实际调用的是sock->ops->recvmsg(sock, msg, msg_data_left(msg), flags);，同样，根据tcp_prot结构的初始化，调用的其实是tcp_rcvmsg.接受函数比发送函数要复杂得多，因为数据接收不仅仅只是接收，tcp的三次握手也是在接收函数实现的，所以收到数据后要判断当前的状态，是否正在建立连接等，根据发来的信息考虑状态是否要改变，在这里，我们仅仅考虑在连接建立后数据的接收:
int tcp_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len, int nonblock,
int flags, int *addr_len)
{
......
if (sk_can_busy_loop(sk) && skb_queue_empty(&sk->sk_receive_queue) &&
(sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED))
sk_busy_loop(sk, nonblock);
lock_sock(sk);
.....
if (unlikely(tp->repair)) {
err = -EPERM;
if (!(flags & MSG_PEEK))
goto out;
if (tp->repair_queue == TCP_SEND_QUEUE)
goto recv_sndq;
err = -EINVAL;
if (tp->repair_queue == TCP_NO_QUEUE)
goto out;
......
last = skb_peek_tail(&sk->sk_receive_queue);
skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) {
last = skb;
......
if (!(flags & MSG_TRUNC)) {
err = skb_copy_datagram_msg(skb, offset, msg, used);
if (err) {
/* Exception. Bailout! */
if (!copied)
copied = -EFAULT;
break;
}
}
*seq += used;
copied += used;
len -= used;
tcp_rcv_space_adjust(sk);
这里共维护了三个队列：prequeue、backlog、receive_queue，分别为预处理队列，后备队列和接收队列，在连接建立后，若没有数据到来，接收队列为空，进程会在sk_busy_loop函数内循环等待，知道接收队列不为空，并调用函数数skb_copy_datagram_msg将接收到的数据拷贝到用户态，实际调用的是__skb_datagram_iter,这里同样用了struct msghdr *msg来实现:
int __skb_datagram_iter(const struct sk_buff *skb, int offset,
struct iov_iter *to, int len, bool fault_short,
size_t (*cb)(const void *, size_t, void *, struct iov_iter *),
void *data)
{
int start = skb_headlen(skb);
int i, copy = start - offset, start_off = offset, n;
struct sk_buff *frag_iter;
/* 拷贝tcp头部 */
if (copy > 0) {
if (copy > len)
copy = len;
n = cb(skb->data + offset, copy, data, to);
offset += n;
if (n != copy)
goto short_copy;
if ((len -= copy) == 0)
return 0;
}
/* 拷贝数据部分 */
for (i = 0; i < skb_shinfo(skb)->nr_frags; i++) {
int end;
const skb_frag_t *frag = &skb_shinfo(skb)->frags[i];
WARN_ON(start > offset + len);
end = start + skb_frag_size(frag);
if ((copy = end - offset) > 0) {
struct page *page = skb_frag_page(frag);
u8 *vaddr = kmap(page);
if (copy > len)
copy = len;
n = cb(vaddr + frag->page_offset +
offset - start, copy, data, to);
kunmap(page);
offset += n;
if (n != copy)
goto short_copy;
if (!(len -= copy))
return 0;
}
start = end;
}
五、调试过程
列举关键调试记录如下：
六、时序图
浙公网安备 33010602011771号