Linux内核--网络栈实现分析（十）--网络层之IP协议（下）

本文分析基于Linux Kernel 1.2.13

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作者：闫明

注：标题中的”（上）“，”（下）“表示分析过程基于数据包的传递方向：”（上）“表示分析是从底层向上分析、”（下）“表示分析是从上向下分析。


上篇博文分析传输层最终会调用函数ip_queue_xmit()函数，将发送数据的任务交给网络层，下面就分析了下该函数：

该函数的主要函数调用关系图如下：


[cpp] view plaincopy
  1. /* 
  2.  * Queues a packet to be sent, and starts the transmitter 
  3.  * if necessary.  if free = 1 then we free the block after 
  4.  * transmit, otherwise we don't. If free==2 we not only 
  5.  * free the block but also don't assign a new ip seq number. 
  6.  * This routine also needs to put in the total length, 
  7.  * and compute the checksum 
  8.  */  
  9.   
  10. void ip_queue_xmit(struct sock *sk, //发送数据的队列所对应的sock结构  
  11.                       struct device *dev,//发送该数据包的网卡设备  
  12.                       struct sk_buff *skb,//封装好的sk_buff结构，要发送的数据在该结构中  
  13.                       int free)//主要配合TCP协议使用，用于数据包的重发，UDP等协议调用是free=1  
  14. {  
  15.     struct iphdr *iph;//IP数据报首部指针  
  16.     unsigned char *ptr;  
  17.   
  18.     /* Sanity check */  
  19.     if (dev == NULL)  
  20.     {  
  21.         printk("IP: ip_queue_xmit dev = NULL\n");  
  22.         return;  
  23.     }  
  24.   
  25.     IS_SKB(skb);  
  26.   
  27.     /* 
  28.      *  Do some book-keeping in the packet for later 
  29.      */  
  30.   
  31.   
  32.     skb->dev = dev;//进一步完整sk_buff的相应字段  
  33.     skb->when = jiffies;//用于TCP协议的超时重传  
  34.   
  35.     /* 
  36.      *  Find the IP header and set the length. This is bad 
  37.      *  but once we get the skb data handling code in the 
  38.      *  hardware will push its header sensibly and we will 
  39.      *  set skb->ip_hdr to avoid this mess and the fixed 
  40.      *  header length problem 
  41.      */  
  42.   
  43.     ptr = skb->data;//指针指向sk_buff中的数据部分  
  44.     ptr += dev->hard_header_len;//hard_header_len为硬件首部长度，在net_init.c的函数eth_setup()函数中设置的，dev->hard_header_len = ETH_HLEN; 以太网首部长度为14  
  45.     iph = (struct iphdr *)ptr;//prt已经指向IP数据包的首部  
  46.     skb->ip_hdr = iph;  
  47.     iph->tot_len = ntohs(skb->len-dev->hard_header_len);//计算IP数据报的总长度  
  48.   
  49. #ifdef CONFIG_IP_FIREWALL  
  50.     if(ip_fw_chk(iph, dev, ip_fw_blk_chain, ip_fw_blk_policy, 0) != 1)  
  51.         /* just don't send this packet */  
  52.         return;  
  53. #endif    
  54.   
  55.     /* 
  56.      *  No reassigning numbers to fragments... 
  57.      */  
  58.   
  59.     if(free!=2)  
  60.         iph->id      = htons(ip_id_count++);  
  61.     else  
  62.         free=1;  
  63.   
  64.     /* All buffers without an owner socket get freed */  
  65.     if (sk == NULL)  
  66.         free = 1;  
  67.   
  68.     skb->free = free;//设置skb的free值，free=1，发送后立即释放；free=2，不但释放缓存，而且不分配新的序列号  
  69.   
  70.     /* 
  71.      *  Do we need to fragment. Again this is inefficient. 
  72.      *  We need to somehow lock the original buffer and use 
  73.      *  bits of it. 
  74.      */  
  75.     //数据帧中的数据部分必须小于等于MTU  
  76.     if(skb->len > dev->mtu + dev->hard_header_len)//发送的数据长度大于数据帧的数据部分和帧首部之和，则需要分片  
  77.     {  
  78.         ip_fragment(sk,skb,dev,0);//对数据报分片后继续调用ip _queue_xmit()函数发送数据  
  79.         IS_SKB(skb);  
  80.         kfree_skb(skb,FREE_WRITE);  
  81.         return;  
  82.     }  
  83.   
  84.     /* 
  85.      *  Add an IP checksum 
  86.      */  
  87.   
  88.     ip_send_check(iph);//IP数据报首部检查  
  89.   
  90.     /* 
  91.      *  Print the frame when debugging 
  92.      */  
  93.   
  94.     /* 
  95.      *  More debugging. You cannot queue a packet already on a list 
  96.      *  Spot this and moan loudly. 
  97.      */  
  98.     if (skb->next != NULL)//说明该数据包仍然存在于某个缓存队列  
  99.     {  
  100.         printk("ip_queue_xmit: next != NULL\n");  
  101.         skb_unlink(skb);//将其从缓存链表中删除，否则可能导致内核错误  
  102.     }  
  103.   
  104.     /* 
  105.      *  If a sender wishes the packet to remain unfreed 
  106.      *  we add it to his send queue. This arguably belongs 
  107.      *  in the TCP level since nobody else uses it. BUT 
  108.      *  remember IPng might change all the rules. 
  109.      */  
  110.   
  111.     if (!free)//free=0  
  112.     {  
  113.         unsigned long flags;  
  114.         /* The socket now has more outstanding blocks */  
  115.   
  116.         sk->packets_out++;  
  117.   
  118.         /* Protect the list for a moment */  
  119.         save_flags(flags);  
  120.         cli();  
  121.   
  122.         if (skb->link3 != NULL)//link3指向数据报道呃重发队列  
  123.         {  
  124.             printk("ip.c: link3 != NULL\n");  
  125.             skb->link3 = NULL;  
  126.         }  
  127.         //sk中send_tail和send_head是用户缓存的单向链表表尾和表头  
  128.         if (sk->send_head == NULL)  
  129.         {  
  130.             sk->send_tail = skb;  
  131.             sk->send_head = skb;  
  132.         }  
  133.         else  
  134.         {  
  135.             sk->send_tail->link3 = skb;//link3指针用于数据包的连接  
  136.             sk->send_tail = skb;  
  137.         }  
  138.         /* skb->link3 is NULL */  
  139.   
  140.         /* Interrupt restore */  
  141.         restore_flags(flags);  
  142.     }  
  143.     else  
  144.         /* Remember who owns the buffer */  
  145.         skb->sk = sk;  
  146.   
  147.     /* 
  148.      *  If the indicated interface is up and running, send the packet. 
  149.      */  
  150.        
  151.     ip_statistics.IpOutRequests++;  
  152. #ifdef CONFIG_IP_ACCT  
  153.     ip_acct_cnt(iph,dev, ip_acct_chain);  
  154. #endif    
  155.       
  156. #ifdef CONFIG_IP_MULTICAST  //这部分是IP数据报的多播处理  
  157.   
  158.     /* 
  159.      *  Multicasts are looped back for other local users 
  160.      */  
  161.        
  162.     .......................................  
  163. #endif  
  164.     if((dev->flags&IFF_BROADCAST) && iph->daddr==dev->pa_brdaddr && !(dev->flags&IFF_LOOPBACK))//广播数据包的处理  
  165.         ip_loopback(dev,skb);  
  166.           
  167.     if (dev->flags & IFF_UP)//设备状态正常  
  168.     {  
  169.         /* 
  170.          *  If we have an owner use its priority setting, 
  171.          *  otherwise use NORMAL 
  172.          */  
  173.         //调用设备接口层函数发送数据: dev_queue_xmit()函数  
  174.         if (sk != NULL)  
  175.         {  
  176.             dev_queue_xmit(skb, dev, sk->priority);  
  177.         }  
  178.         else  
  179.         {  
  180.             dev_queue_xmit(skb, dev, SOPRI_NORMAL);  
  181.         }  
  182.     }  
  183.     else//设备状态不正常  
  184.     {  
  185.         ip_statistics.IpOutDiscards++;  
  186.         if (free)  
  187.             kfree_skb(skb, FREE_WRITE);  
  188.     }  
  189. }  

这个函数中对长度过长的数据包进行了分片，ip_fragment()函数，该函数没有详细分析。

[cpp] view plaincopy
  1. void ip_fragment(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct device *dev, int is_frag)  
  2. {  
  3.     struct iphdr *iph;  
  4.     unsigned char *raw;  
  5.     unsigned char *ptr;  
  6.     struct sk_buff *skb2;  
  7.     int left, mtu, hlen, len;  
  8.     int offset;  
  9.     unsigned long flags;  
  10.   
  11.     /* 
  12.      *  Point into the IP datagram header. 
  13.      */  
  14.   
  15.     raw = skb->data;  
  16.     iph = (struct iphdr *) (raw + dev->hard_header_len);  
  17.   
  18.     skb->ip_hdr = iph;  
  19.   
  20.     /* 
  21.      *  Setup starting values. 
  22.      */  
  23.   
  24.     hlen = (iph->ihl * sizeof(unsigned long));  
  25.     left = ntohs(iph->tot_len) - hlen;   /* Space per frame */  
  26.     hlen += dev->hard_header_len;        /* Total header size */  
  27.     mtu = (dev->mtu - hlen);     /* Size of data space */  
  28.     ptr = (raw + hlen);         /* Where to start from */  
  29.   
  30.     /* 
  31.      *  Check for any "DF" flag. [DF means do not fragment] 
  32.      */  
  33.   
  34.     if (ntohs(iph->frag_off) & IP_DF)  
  35.     {  
  36.         /* 
  37.          *  Reply giving the MTU of the failed hop. 
  38.          */  
  39.         ip_statistics.IpFragFails++;  
  40.         icmp_send(skb,ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_FRAG_NEEDED, dev->mtu, dev);  
  41.         return;  
  42.     }  
  43.   
  44.     /* 
  45.      *  The protocol doesn't seem to say what to do in the case that the 
  46.      *  frame + options doesn't fit the mtu. As it used to fall down dead 
  47.      *  in this case we were fortunate it didn't happen 
  48.      */  
  49.   
  50.     if(mtu<8)  
  51.     {  
  52.         /* It's wrong but it's better than nothing */  
  53.         icmp_send(skb,ICMP_DEST_UNREACH,ICMP_FRAG_NEEDED,dev->mtu, dev);  
  54.         ip_statistics.IpFragFails++;  
  55.         return;  
  56.     }  
  57.   
  58.     /* 
  59.      *  Fragment the datagram. 
  60.      */  
  61.   
  62.     /* 
  63.      *  The initial offset is 0 for a complete frame. When 
  64.      *  fragmenting fragments it's wherever this one starts. 
  65.      */  
  66.   
  67.     if (is_frag & 2)  
  68.         offset = (ntohs(iph->frag_off) & 0x1fff) << 3;  
  69.     else  
  70.         offset = 0;  
  71.   
  72.   
  73.     /* 
  74.      *  Keep copying data until we run out. 
  75.      */  
  76.   
  77.     while(left > 0)  
  78.     {  
  79.         len = left;  
  80.         /* IF: it doesn't fit, use 'mtu' - the data space left */  
  81.         if (len > mtu)  
  82.             len = mtu;  
  83.         /* IF: we are not sending upto and including the packet end 
  84.            then align the next start on an eight byte boundary */  
  85.         if (len < left)  
  86.         {  
  87.             len/=8;  
  88.             len*=8;  
  89.         }  
  90.         /* 
  91.          *  Allocate buffer. 
  92.          */  
  93.   
  94.         if ((skb2 = alloc_skb(len + hlen,GFP_ATOMIC)) == NULL)  
  95.         {  
  96.             printk("IP: frag: no memory for new fragment!\n");  
  97.             ip_statistics.IpFragFails++;  
  98.             return;  
  99.         }  
  100.   
  101.         /* 
  102.          *  Set up data on packet 
  103.          */  
  104.   
  105.         skb2->arp = skb->arp;  
  106.         if(skb->free==0)  
  107.             printk("IP fragmenter: BUG free!=1 in fragmenter\n");  
  108.         skb2->free = 1;  
  109.         skb2->len = len + hlen;  
  110.         skb2->h.raw=(char *) skb2->data;  
  111.         /* 
  112.          *  Charge the memory for the fragment to any owner 
  113.          *  it might possess 
  114.          */  
  115.   
  116.         save_flags(flags);  
  117.         if (sk)  
  118.         {  
  119.             cli();  
  120.             sk->wmem_alloc += skb2->mem_len;  
  121.             skb2->sk=sk;  
  122.         }  
  123.         restore_flags(flags);  
  124.         skb2->raddr = skb->raddr; /* For rebuild_header - must be here */  
  125.   
  126.         /* 
  127.          *  Copy the packet header into the new buffer. 
  128.          */  
  129.   
  130.         memcpy(skb2->h.raw, raw, hlen);  
  131.   
  132.         /* 
  133.          *  Copy a block of the IP datagram. 
  134.          */  
  135.         memcpy(skb2->h.raw + hlen, ptr, len);  
  136.         left -= len;  
  137.   
  138.         skb2->h.raw+=dev->hard_header_len;  
  139.   
  140.         /* 
  141.          *  Fill in the new header fields. 
  142.          */  
  143.         iph = (struct iphdr *)(skb2->h.raw/*+dev->hard_header_len*/);  
  144.         iph->frag_off = htons((offset >> 3));  
  145.         /* 
  146.          *  Added AC : If we are fragmenting a fragment thats not the 
  147.          *         last fragment then keep MF on each bit 
  148.          */  
  149.         if (left > 0 || (is_frag & 1))  
  150.             iph->frag_off |= htons(IP_MF);  
  151.         ptr += len;  
  152.         offset += len;  
  153.   
  154.         /* 
  155.          *  Put this fragment into the sending queue. 
  156.          */  
  157.   
  158.         ip_statistics.IpFragCreates++;  
  159.   
  160.         ip_queue_xmit(sk, dev, skb2, 2);//还是调用ip_queue_xmit()函数来发送分片后的数据  
  161.     }  
  162.     ip_statistics.IpFragOKs++;  
  163. }  

网络层的发送函数调用了设备接口层，相当于网络模型的链路层的发送函数dev_queue_xmit()

该函数的调用关系如下：


[cpp] view plaincopy
  1. /* 
  2.  *  Send (or queue for sending) a packet.  
  3.  * 
  4.  *  IMPORTANT: When this is called to resend frames. The caller MUST 
  5.  *  already have locked the sk_buff. Apart from that we do the 
  6.  *  rest of the magic. 
  7.  */  
  8.   
  9. void dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct device *dev, int pri)  
  10. {  
  11.     unsigned long flags;  
  12.     int nitcount;  
  13.     struct packet_type *ptype;  
  14.     int where = 0;      /* used to say if the packet should go  */  
  15.                 /* at the front or the back of the  */  
  16.                 /* queue - front is a retransmit try    */  
  17.                 /* where=0 表示是刚从上层传递的新数据包；where=1 表示从硬件队列中取出的数据包*/  
  18.   
  19.     if (dev == NULL)   
  20.     {  
  21.         printk("dev.c: dev_queue_xmit: dev = NULL\n");  
  22.         return;  
  23.     }  
  24.       
  25.     if(pri>=0 && !skb_device_locked(skb))//锁定该skb再进行操作，避免造成内核的不一致情况  
  26.         skb_device_lock(skb);   /* Shove a lock on the frame */  
  27. #ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING  
  28.     save_flags(flags);  
  29.     cli();  
  30.     if(dev->slave!=NULL && dev->slave->pkt_queue < dev->pkt_queue &&  
  31.                 (dev->slave->flags & IFF_UP))  
  32.         dev=dev->slave;  
  33.     restore_flags(flags);  
  34. #endif        
  35. #ifdef CONFIG_SKB_CHECK   
  36.     IS_SKB(skb);  
  37. #endif      
  38.     skb->dev = dev;  
  39.   
  40.     /* 
  41.      *  This just eliminates some race conditions, but not all...  
  42.      */  
  43.   
  44.     if (skb->next != NULL) //这种条件似乎永远不能成立，因为发送数据包前，数据包已经从缓存队列摘下  
  45.     {//以防内核代码有BUG  
  46.         /* 
  47.          *  Make sure we haven't missed an interrupt.  
  48.          */  
  49.         printk("dev_queue_xmit: worked around a missed interrupt\n");  
  50.         start_bh_atomic();  
  51.         dev->hard_start_xmit(NULL, dev);  
  52.         end_bh_atomic();  
  53.         return;  
  54.     }  
  55.   
  56.     /* 
  57.      *  Negative priority is used to flag a frame that is being pulled from the 
  58.      *  queue front as a retransmit attempt. It therefore goes back on the queue 
  59.      *  start on a failure. 
  60.      */  
  61.        
  62.     if (pri < 0) //优先级小于0表示是从硬件队列中取出的数据包  
  63.     {  
  64.         pri = -pri-1;  
  65.         where = 1;  
  66.     }  
  67.   
  68.     if (pri >= DEV_NUMBUFFS)   
  69.     {  
  70.         printk("bad priority in dev_queue_xmit.\n");  
  71.         pri = 1;  
  72.     }  
  73.   
  74.     /* 
  75.      *  If the address has not been resolved. Call the device header rebuilder. 
  76.      *  This can cover all protocols and technically not just ARP either. 
  77.      */  
  78.        
  79.     if (!skb->arp && dev->rebuild_header(skb->data, dev, skb->raddr, skb)) {//用于ARP协议，并重建MAC帧首部  
  80.         return;  
  81.     }  
  82.   
  83.     save_flags(flags);  
  84.     cli();    
  85.     if (!where) {//表示是新数据包，需要将其加入设备队列中  
  86. #ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING     
  87.         skb->in_dev_queue=1;//该数据包在设备队列  
  88. #endif        
  89.         skb_queue_tail(dev->buffs + pri,skb);//将发送数据包加入硬件队列  
  90.         skb_device_unlock(skb);     /* Buffer is on the device queue and can be freed safely */  
  91.         skb = skb_dequeue(dev->buffs + pri);//从硬件队列中取出一个数据包  
  92.         skb_device_lock(skb);       /* New buffer needs locking down */  
  93. #ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING         
  94.         skb->in_dev_queue=0;  
  95. #endif        
  96.     }  
  97.     restore_flags(flags);  
  98.   
  99.     /* copy outgoing packets to any sniffer packet handlers */  
  100.     if(!where)//对于新的数据包，则遍历网络层协议队列，内核支持混杂模式  
  101.     {  
  102.         for (nitcount= dev_nit, ptype = ptype_base; nitcount > 0 && ptype != NULL; ptype = ptype->next)   
  103.         {  
  104.             /* Never send packets back to the socket 
  105.              * they originated from - MvS (miquels@drinkel.ow.org) 
  106.              */  
  107.             if (ptype->type == htons(ETH_P_ALL) &&  
  108.                (ptype->dev == dev || !ptype->dev) &&  
  109.                ((struct sock *)ptype->data != skb->sk))  
  110.             {  
  111.                 struct sk_buff *skb2;  
  112.                 if ((skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL)  
  113.                     break;  
  114.                 /* 
  115.                  *  The protocol knows this has (for other paths) been taken off 
  116.                  *  and adds it back. 
  117.                  */  
  118.                 skb2->len-=skb->dev->hard_header_len;  
  119.                 ptype->func(skb2, skb->dev, ptype);//IP层函数对应func为ip_rcv()，将发送的数据回送一份给对应的网络层协议  
  120.                 nitcount--;//用于及时退出循环  
  121.             }  
  122.         }  
  123.     }  
  124.     start_bh_atomic();//开始原子操作  
  125.     if (dev->hard_start_xmit(skb, dev) == 0) {//调用硬件的发送函数发送数据  
  126.         end_bh_atomic();//结束原子操作  
  127.         /* 
  128.          *  Packet is now solely the responsibility of the driver 
  129.          */  
  130.         return;//到这里说明数据包成功发送  
  131.     }  
  132.     //数据包没有成功发送，进行处理，将数据包从新加入硬件队列  
  133.     end_bh_atomic();  
  134.   
  135.     /* 
  136.      *  Transmission failed, put skb back into a list. Once on the list it's safe and 
  137.      *  no longer device locked (it can be freed safely from the device queue) 
  138.      */  
  139.     cli();  
  140. #ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING  
  141.     skb->in_dev_queue=1;  
  142.     dev->pkt_queue++;  
  143. #endif        
  144.     skb_device_unlock(skb);//对SKB解锁  
  145.     skb_queue_head(dev->buffs + pri,skb);//这次采用头插法插入硬件发送队列  
  146.     restore_flags(flags);  
  147. }  

具体的硬件发送函数dev->hard_start_xmit的实现将做下篇博文中分析。

posted on 2013-04-13 13:33  疯子123  阅读(128)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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