linux下vlan的实现分析(上)
一. VLAN的核心概念
1. 划分VLAN的核心目的只有一个：分割广播域。
通过VLAN对广播域进行合理分割之后，一是可以缩小ARP攻击的范围，从而提高网络的安全性；二是可以缩小广播域的大小，从而提高网络的性能。
所以要注意的是，划分VLAN的目的中根本没有隔离不同VLAN用户互访这一说法，这只是划分VLAN之后的一种应用，不然使用三层设备实现不同VLAN
间互访就成了多此一举。
2. 单独的一个VLAN模拟了一个常规的以太网交换机，因此VLAN实际上就是将一台物理交换机分割成了多台逻辑交换机，变相也节省了物理设备。
站在二层的角度，不同VLAN间是无法通信的，VLAN间想要进行通信必须有三层参与。
3. 本地VLAN的实现方式有很多种，常见的有基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN、基于IP地址的VLAN、基于用户的VLAN等，这里略过。
4. 跨设备的VLAN，标准的实现方法主要就是802.1q，通过VID来识别不同的VLAN，本文主要就是记录了802.1q的相关内容。
5. 802.1q的应用原则：通常在上行链路的第一台VLAN交换机打上tag，在下行链路的最后一台VLAN交换机去掉tag；
基于802.1q的VLAN划分既要合理，又要尽量简单，原则就是只有当一个数据帧不打tag就不能区分属于哪个VLAN时才打上tag，
能去掉时尽早去掉。
二. Linux中VLAN的实现原理
Linux中跟VLAN相关的代码主要位于net/8021q目录中。
Linux中的VLAN是一种特殊的虚拟设备，所有的VLAN设备必须依赖于它的宿主设备才能存在。
1. VLAN模块涉及的主要结构
/* 以下定义了整个VLAN模块公用的私有空间(当然公用的前提是同一个网络命名空间下)
* 具体就是记录了有关VLAN的proc文件系统信息
*/
struct vlan_net {
struct proc_dir_entry *proc_vlan_dir; // proc文件系统中VLAN的顶层目录节点
struct proc_dir_entry *proc_vlan_conf; // proc文件系统中VLAN的配置文件节点
unsigned short name_type; // vlan设备名字显示风格，默认就是eth0.10的风格
}
/* ioctl调用SIOCGIFVLAN / SIOCSIFVLAN这两条命令时传入的参数结构
* 用户空间和kernel中都使用到本结构
*/
struct vlan_ioctl_args {
int cmd; // 具体vlan命令
char device1[24]; /* 用户传入的设备名，用于内核查找实际对应的设备
调用ADD_VLAN_CMD时，该参数传入的是vlan的宿主设备名
调用SET_VLAN_NAME_TYPE_CMD时，该参数不用填
调用其他命令时，该参数传入的是vlan设备名
*/
union {
char device2[24]; // 用于返回vlan设备名
int VID;
unsigned int skb_priority;
unsigned int name_type;
unsigned int bind_type;
unsigned int flag; // 注意点，想要开启某功能时需要同时设置vlan_qos为非0
}u;
short vlan_qos;
}
/* 定义了每个VLAN设备附属的私有空间结构
* 每个VLAN设备都有一个私有空间vlan_dev_priv，同时整个VLAN模块的私有空间vlan_net是所有VLAN设备共有的
*/
struct vlan_dev_priv {
unsigned int nr_ingress_mappings;
u32 ingress_priority_map[8];
unsigned int nr_egress_mappings;
struct vlan_priority_tci_mapping *egress_priority_map[16];
__be16 vlan_proto; // vlan协议类型(大端)
u16 vlan_id; // vlan id
u16 flags; // VLAN_FLAG_* 用来记录该vlan设备的几个特征标志，默认总是设置了REORDER_HDR
struct net_device *real_dev; // 指向宿主设备
unsigned char real_dev_addr[ETH_ALEN]; // 宿主设备mac
struct proc_dir_entry *dent;
struct vlan_pcpu_stats __percpu *vlan_pcpu_stats;
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
struct netpoll *netpoll;
#endif
unsigned int nest_level;
}
/* 定义一个记录vlan设备信息的结构，保存了一个宿主设备上绑定的所有vlan设备的信息
* 这个结构是宿主设备用来管理其下辖的所有vlan设备的
*/
struct vlan_info {
struct net_device *real_dev; // 指向宿主设备
struct vlan_group grp; // vlan组，记录了所有绑定在该宿主设备上的vlan设备
struct list_head vid_list; // vlan id的链表头
unsigned int nr_vids; // 记录了该vlan id链表中节点数量
struct rcu_head rcu;
}
/* 定义同一个宿主设备下的vlan组模型
* 存储的vlan设备呈现四维结构：VLAN_PROTO_NUM * VLAN_GROUP_ARRAY_SPLIT_PARTS * VLAN_GROUP_ARRAY_PART_LEN * struct net_device指针
*/
struct vlan_group {
unsigned int nr_vlan_devs; // 记录了该vlan组中包含的vlan设备数量
struct hlist_node hlist;
struct net_device **vlan_devices_arrays[VLAN_PROTO_NUM]
[VLAN_GROUP_ARRAY_SPLIT_PARTS]; // 记录了该vlan组中包含的所有vlan设备
}
2. VLAN模块的初始化
int vlan_net_id; // 用于记录vlan模块在所有网络命名空间中的ID号（注册到网络命名空间时分配）
// 以下是整个VLAN模块的初始化入口
int __init vlan_proto_init(void)
{
// 将vlan模块注册到每一个网络命名空间，注意就是在这里完成了模块私有空间的申请，对于VLAN来说就是vlan_net，并且执行了vlan_init_net
register_pernet_subsys(&vlan_net_ops);
// 向通知链中注册一个vlan事件通知块
register_netdevice_notifier(&vlan_notifier_block);
// 初始化操作vlan用的netlink接口
vlan_netlink_init();
// 设置用于vlan操作的ioctl钩子函数
vlan_ioctl_set(vlan_ioctl_handler);
}
小结：以上4步操作基本是加载一个顶层网络模块的通用格式，
而模块特有的那部分初始化通常就是放在pernet_operations->init指向的函数中，以VLAN为例，就是vlan_init_net
// 以下就是VLAN模块特有的那部分初始化
int __net_init vlan_init_net(struct net *net)
{
// 根据vlan_net_id索引对应的私有空间，也就是vlan_net
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
// 设置vlan设备名的默认显示风格，类似 eth0.10
vn->name_type = VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID_NO_PAD;
// 在proc文件系统中创建vlan接口(/proc/net/vlan)
vlan_proc_init(net);
}
int __net_init vlan_proc_init(struct net *net)
{
// 根据vlan_net_id索引得到对应的vlan_net结构
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
// proc文件系统下创建/proc/net/vlan目录
vn->proc_vlan_dir = proc_net_mkdir(net, name_root, net->proc_net);
// proc文件系统下创建/proc/net/vlan/config文件(文件属性：普通文件 + 可读可写)
vn->proc_vlan_conf = proc_create(name_conf, S_IFREG|S_IRUSR|S_IWUSR,vn->proc_vlan_dir, &vlan_fops);
}
小结：这部分VLAN特有的初始化，具体主要就是创建了proc文件系统下的VLAN节点
3. VLAN模块的功能管理
对VLAN模块的功能管理主要基于2种接口方式：ioctl和netlink
3.1 ioctl方式分析
VLAN模块初始化过程中注册了对应的ioctl钩子函数vlan_ioctl_hook，
这样，当用户空间执行ioctl调用SIOCGIFVLAN/SIOCSIFVLAN这两条命令时，对应的vlan_ioctl_handler将被执行
int vlan_ioctl_handler(struct net *net, void __user *arg)
{
// 将ioctl的vlan传入参数从用户空间拷贝到内核
copy_from_user(&args, arg, sizeof(struct vlan_ioctl_args));
switch (args.cmd)
{
case SET_VLAN_INGRESS_PRIORITY_CMD:
case SET_VLAN_EGRESS_PRIORITY_CMD:
case SET_VLAN_FLAG_CMD:
case ADD_VLAN_CMD:
case DEL_VLAN_CMD:
case GET_VLAN_REALDEV_NAME_CMD:
case GET_VLAN_VID_CMD:
// 根据用户传入的设备名查找对应的设备管理块
dev = __dev_get_by_name(net, args.device1);
// 以上这些命令中除了ADD_VLAN_CMD，必须确保device1传入的设备名指的是vlan设备
if (args.cmd != ADD_VLAN_CMD && !is_vlan_dev(dev))
goto out;
}
switch (args.cmd)
{
case SET_VLAN_INGRESS_PRIORITY_CMD: // 暂略
break;
case SET_VLAN_EGRESS_PRIORITY_CMD: // 暂略
break;
case SET_VLAN_FLAG_CMD:
// 设置vlan标志位命令的用户需要进行管理员级别权限测试
if (!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_ADMIN))
break;
// 如果传入的vlan设备名风格有效则更新
if ((args.u.name_type >= 0) &&(args.u.name_type < VLAN_NAME_TYPE_HIGHEST))
{
struct vlan_net *vn;
vn = net_generic(net, vlan_net_id);
vn->name_type = args.u.name_type;
}
break;
case ADD_VLAN_CMD:
// 添加vlan设备的用户需要进行管理员级别权限测试
if (!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_ADMIN))
break;
// 在宿主设备上注册一个新的vlan设备
register_vlan_device(dev, args.u.VID);
break;
case DEL_VLAN_CMD:
// 删除vlan设备的用户需要进行管理员级别权限测试
if (!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_ADMIN))
break;
// 注销vlan设备
unregister_vlan_dev(dev, NULL);
break;
case GET_VLAN_REALDEV_NAME_CMD:
// 获取vlan设备对应的宿主设备名
vlan_dev_get_realdev_name(dev, args.u.device2);
// 拷贝回用户空间
copy_to_user(arg, &args,sizeof(struct vlan_ioctl_args));
break;
case GET_VLAN_VID_CMD:
// 获取该vlan设备的vid
args.u.VID = vlan_dev_vlan_id(dev);
// 拷贝回用户空间
copy_to_user(arg, &args,sizeof(struct vlan_ioctl_args));
break;
}
}
3.1.1 VLAN设备的创建
/* 在宿主设备上注册一个新的VLAN设备
* @real_dev - 宿主设备(一般就是真实的网卡，但对交换机来说，可能是DSA中创建的虚拟端口)
* @vlan_id - 要创建的VLAN设备的ID
*/
int register_vlan_device(struct net_device *real_dev, u16 vlan_id)
{
// 首先获取宿主设备所在的网络命名空间
struct net *net = dev_net(real_dev);
// 然后根据vlan_net_id在索引得到对应的私有空间，也就是vlan_net
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
// vlan id号不能超过4096
if (vlan_id >= VLAN_VID_MASK)
return -ERANGE;
// 检查宿主设备是否支持vlan协议以及要创建的vlan id在该设备上是否已经存在
vlan_check_real_dev(real_dev, htons(ETH_P_8021Q), vlan_id);
// 根据vlan设备不同的显示风格生成相应的vlan设备名
switch(vn->name_type)
{
case VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID_NO_PAD:
snprintf(name, IFNAMSIZ, "%s.%i", real_dev->name, vlan_id);
break;
...
}
// 创建一个vlan设备，并执行vlan_setup完成基本的初始化
new_dev = alloc_netdev(sizeof(struct vlan_dev_priv), name, vlan_setup);
// 将新创建的vlan设备关联到当前的网络命名空间
dev_net_set(new_dev, net);
new_dev->mtu = real_dev->mtu; // 将宿主设备的mtu继承到vlan设备
new_dev->priv_flags |= (real_dev->priv_flags & IFF_UNICAST_FLT); // 如果宿主设备支持单播过滤功能，则同样继承到vlan设备
// 初始化vlan设备附属的私有空间vlan_dev_priv
vlan = vlan_dev_priv(new_dev);
vlan->vlan_proto = htons(ETH_P_8021Q);
vlan->vlan_id = vlan_id;
vlan->real_dev = real_dev;
vlan->dent = NULL;
vlan->flags = VLAN_FLAG_REORDER_HDR;
new_dev->rtnl_link_ops = &vlan_link_ops;// 注册netlink接口操作集合用于管理该vlan设备
// 进一步注册该vlan设备
register_vlan_dev(new_dev);
}
/* 每个新创建的vlan设备初始化回调函数
*/
void vlan_setup(struct net_device *dev)
{
// 为vlan设备设置一些链路层基本参数
ether_setup(dev);
dev->priv_flags |= IFF_802_1Q_VLAN; // 表明这是一个vlan设备
dev->priv_flags &= ~(IFF_XMIT_DST_RELEASE | IFF_TX_SKB_SHARING);
dev->tx_queue_len = 0;
dev->netdev_ops = &vlan_netdev_ops; // 注册vlan设备管理操作回调函数集
dev->destructor = vlan_dev_free; // 注册vlan设备注销回调函数
dev->ethtool_ops = &vlan_ethtool_ops; // 注册使用ethtool工具操作vlan设备的回调函数集
memset(dev->broadcast, 0, ETH_ALEN); // 清零广播mac
}
/* 进一步注册该vlan设备
*/
int register_vlan_dev(struct net_device *dev)
{
struct vlan_dev_priv *vlan = vlan_dev_priv(dev); // 获取vlan设备附属的私有空间
struct net_device *real_dev = vlan->real_dev; // 获取宿主设备
u16 vlan_id = vlan->vlan_id; // 获取vlan id
// 将指定vlan协议ID的vlan id添加到宿主设备的vlan_info管理块中
vlan_vid_add(real_dev, vlan->vlan_proto, vlan_id);
// 确保程序运行到这里时宿主设备的vlan_info成员不再为空
vlan_info = rtnl_dereference(real_dev->vlan_info);
// 对四维结构的vlan组模型在第三维度上进行预分配
vlan_group_prealloc_vid(grp, vlan->vlan_proto, vlan_id);
// 设置该vlan设备的嵌套级别
vlan->nest_level = dev_get_nest_level(real_dev, is_vlan_dev) + 1;
// 注册该网络设备到内核中，注册结果会从通知链中反馈
register_netdevice(dev);
// 将vlan设备加入宿主设备的upper邻接链表中
netdev_upper_dev_link(real_dev, dev);
// 宿主设备的引用计数加1
dev_hold(real_dev);
// 从宿主设备继承一些状态(比如设备的链路状态)
netif_stacked_transfer_operstate(real_dev, dev);
// 将vlan设备加入lweventlist通知链
linkwatch_fire_event(dev);
// 最后一步，将指定的vlan设备记录到四维vlan组模型中
vlan_group_set_device(grp, vlan->vlan_proto, vlan_id, dev);
grp->nr_vlan_devs++;
}
3.2 netlink方式分析
VLAN模块初始化过程中还通过vlan_netlink_init注册了一组netlink接口vlan_link_ops用于操作VLAN模块
3.2.1 VLAN设备的创建
/* 注册并配置一个新的vlan设备
* @src_net - 所处的网络命名空间
* @dev - 新创建的网络设备
* @tb[] - ?
* @data[] - ?
*
* 备注：对应ioctl接口的函数register_vlan_device，主要的区别在于调用本函数前vlan设备管理块已经被创建
*/
int vlan_newlink(struct net *src_net, struct net_device *dev,struct nlattr *tb[], struct nlattr *data[])
{
struct vlan_dev_priv *vlan = vlan_dev_priv(dev);
// 检查是否有传入IFLA_VLAN_ID属性
if (!data[IFLA_VLAN_ID])
return -EINVAL;
// 检查是否有传入IFLA_LINK属性
if (!tb[IFLA_LINK])
return -EINVAL;
// 从IFLA_LINK属性中获取宿主设备接口序号，再根据接口序号索引得到对应的宿主设备
real_dev = __dev_get_by_index(src_net, nla_get_u32(tb[IFLA_LINK]));
// 如果传入了IFLA_VLAN_PROTOCOL属性则从中获取vlan的协议类型，否则采用缺省的vlan协议类型
if (data[IFLA_VLAN_PROTOCOL])
proto = nla_get_be16(data[IFLA_VLAN_PROTOCOL]);
else
proto = htons(ETH_P_8021Q);
// 初始化vlan设备附属的私有空间vlan_dev_priv
vlan->vlan_proto = proto;
vlan->vlan_id = nla_get_u16(data[IFLA_VLAN_ID]);
vlan->real_dev = real_dev;
vlan->flags = VLAN_FLAG_REORDER_HDR;
// 检查宿主设备是否支持vlan协议以及要创建的vlan id在该设备上是否已经存在
vlan_check_real_dev(real_dev, vlan->vlan_proto, vlan->vlan_id);
// 如果没有传入IFLA_MTU属性则从宿主设备继承mtu值，否则意味着使用了自定义的mtu值，这时候需要确保自定义值不大于宿主设备上的mtu值
if (!tb[IFLA_MTU])
dev->mtu = real_dev->mtu;
else if (dev->mtu > real_dev->mtu)
return -EINVAL;
// 该vlan设备在这里继续处理来自用户空间设置的参数
vlan_changelink(dev, tb, data);
// 进一步注册该vlan设备
return register_vlan_dev(dev);
}
1. 划分VLAN的核心目的只有一个：分割广播域。
通过VLAN对广播域进行合理分割之后，一是可以缩小ARP攻击的范围，从而提高网络的安全性；二是可以缩小广播域的大小，从而提高网络的性能。
所以要注意的是，划分VLAN的目的中根本没有隔离不同VLAN用户互访这一说法，这只是划分VLAN之后的一种应用，不然使用三层设备实现不同VLAN
间互访就成了多此一举。
2. 单独的一个VLAN模拟了一个常规的以太网交换机，因此VLAN实际上就是将一台物理交换机分割成了多台逻辑交换机，变相也节省了物理设备。
站在二层的角度，不同VLAN间是无法通信的，VLAN间想要进行通信必须有三层参与。
3. 本地VLAN的实现方式有很多种，常见的有基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN、基于IP地址的VLAN、基于用户的VLAN等，这里略过。
4. 跨设备的VLAN，标准的实现方法主要就是802.1q，通过VID来识别不同的VLAN，本文主要就是记录了802.1q的相关内容。
5. 802.1q的应用原则：通常在上行链路的第一台VLAN交换机打上tag，在下行链路的最后一台VLAN交换机去掉tag；
基于802.1q的VLAN划分既要合理，又要尽量简单，原则就是只有当一个数据帧不打tag就不能区分属于哪个VLAN时才打上tag，
能去掉时尽早去掉。
二. Linux中VLAN的实现原理
Linux中跟VLAN相关的代码主要位于net/8021q目录中。
Linux中的VLAN是一种特殊的虚拟设备，所有的VLAN设备必须依赖于它的宿主设备才能存在。
1. VLAN模块涉及的主要结构
/* 以下定义了整个VLAN模块公用的私有空间(当然公用的前提是同一个网络命名空间下)
* 具体就是记录了有关VLAN的proc文件系统信息
*/
struct vlan_net {
struct proc_dir_entry *proc_vlan_dir; // proc文件系统中VLAN的顶层目录节点
struct proc_dir_entry *proc_vlan_conf; // proc文件系统中VLAN的配置文件节点
unsigned short name_type; // vlan设备名字显示风格，默认就是eth0.10的风格
}
/* ioctl调用SIOCGIFVLAN / SIOCSIFVLAN这两条命令时传入的参数结构
* 用户空间和kernel中都使用到本结构
*/
struct vlan_ioctl_args {
int cmd; // 具体vlan命令
char device1[24]; /* 用户传入的设备名，用于内核查找实际对应的设备
调用ADD_VLAN_CMD时，该参数传入的是vlan的宿主设备名
调用SET_VLAN_NAME_TYPE_CMD时，该参数不用填
调用其他命令时，该参数传入的是vlan设备名
*/
union {
char device2[24]; // 用于返回vlan设备名
int VID;
unsigned int skb_priority;
unsigned int name_type;
unsigned int bind_type;
unsigned int flag; // 注意点，想要开启某功能时需要同时设置vlan_qos为非0
}u;
short vlan_qos;
}
/* 定义了每个VLAN设备附属的私有空间结构
* 每个VLAN设备都有一个私有空间vlan_dev_priv，同时整个VLAN模块的私有空间vlan_net是所有VLAN设备共有的
*/
struct vlan_dev_priv {
unsigned int nr_ingress_mappings;
u32 ingress_priority_map[8];
unsigned int nr_egress_mappings;
struct vlan_priority_tci_mapping *egress_priority_map[16];
__be16 vlan_proto; // vlan协议类型(大端)
u16 vlan_id; // vlan id
u16 flags; // VLAN_FLAG_* 用来记录该vlan设备的几个特征标志，默认总是设置了REORDER_HDR
struct net_device *real_dev; // 指向宿主设备
unsigned char real_dev_addr[ETH_ALEN]; // 宿主设备mac
struct proc_dir_entry *dent;
struct vlan_pcpu_stats __percpu *vlan_pcpu_stats;
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
struct netpoll *netpoll;
#endif
unsigned int nest_level;
}
/* 定义一个记录vlan设备信息的结构，保存了一个宿主设备上绑定的所有vlan设备的信息
* 这个结构是宿主设备用来管理其下辖的所有vlan设备的
*/
struct vlan_info {
struct net_device *real_dev; // 指向宿主设备
struct vlan_group grp; // vlan组，记录了所有绑定在该宿主设备上的vlan设备
struct list_head vid_list; // vlan id的链表头
unsigned int nr_vids; // 记录了该vlan id链表中节点数量
struct rcu_head rcu;
}
/* 定义同一个宿主设备下的vlan组模型
* 存储的vlan设备呈现四维结构：VLAN_PROTO_NUM * VLAN_GROUP_ARRAY_SPLIT_PARTS * VLAN_GROUP_ARRAY_PART_LEN * struct net_device指针
*/
struct vlan_group {
unsigned int nr_vlan_devs; // 记录了该vlan组中包含的vlan设备数量
struct hlist_node hlist;
struct net_device **vlan_devices_arrays[VLAN_PROTO_NUM]
[VLAN_GROUP_ARRAY_SPLIT_PARTS]; // 记录了该vlan组中包含的所有vlan设备
}
2. VLAN模块的初始化
int vlan_net_id; // 用于记录vlan模块在所有网络命名空间中的ID号（注册到网络命名空间时分配）
// 以下是整个VLAN模块的初始化入口
int __init vlan_proto_init(void)
{
// 将vlan模块注册到每一个网络命名空间，注意就是在这里完成了模块私有空间的申请，对于VLAN来说就是vlan_net，并且执行了vlan_init_net
register_pernet_subsys(&vlan_net_ops);
// 向通知链中注册一个vlan事件通知块
register_netdevice_notifier(&vlan_notifier_block);
// 初始化操作vlan用的netlink接口
vlan_netlink_init();
// 设置用于vlan操作的ioctl钩子函数
vlan_ioctl_set(vlan_ioctl_handler);
}
小结：以上4步操作基本是加载一个顶层网络模块的通用格式，
而模块特有的那部分初始化通常就是放在pernet_operations->init指向的函数中，以VLAN为例，就是vlan_init_net
// 以下就是VLAN模块特有的那部分初始化
int __net_init vlan_init_net(struct net *net)
{
// 根据vlan_net_id索引对应的私有空间，也就是vlan_net
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
// 设置vlan设备名的默认显示风格，类似 eth0.10
vn->name_type = VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID_NO_PAD;
// 在proc文件系统中创建vlan接口(/proc/net/vlan)
vlan_proc_init(net);
}
int __net_init vlan_proc_init(struct net *net)
{
// 根据vlan_net_id索引得到对应的vlan_net结构
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
// proc文件系统下创建/proc/net/vlan目录
vn->proc_vlan_dir = proc_net_mkdir(net, name_root, net->proc_net);
// proc文件系统下创建/proc/net/vlan/config文件(文件属性：普通文件 + 可读可写)
vn->proc_vlan_conf = proc_create(name_conf, S_IFREG|S_IRUSR|S_IWUSR,vn->proc_vlan_dir, &vlan_fops);
}
小结：这部分VLAN特有的初始化，具体主要就是创建了proc文件系统下的VLAN节点
3. VLAN模块的功能管理
对VLAN模块的功能管理主要基于2种接口方式：ioctl和netlink
3.1 ioctl方式分析
VLAN模块初始化过程中注册了对应的ioctl钩子函数vlan_ioctl_hook，
这样，当用户空间执行ioctl调用SIOCGIFVLAN/SIOCSIFVLAN这两条命令时，对应的vlan_ioctl_handler将被执行
int vlan_ioctl_handler(struct net *net, void __user *arg)
{
// 将ioctl的vlan传入参数从用户空间拷贝到内核
copy_from_user(&args, arg, sizeof(struct vlan_ioctl_args));
switch (args.cmd)
{
case SET_VLAN_INGRESS_PRIORITY_CMD:
case SET_VLAN_EGRESS_PRIORITY_CMD:
case SET_VLAN_FLAG_CMD:
case ADD_VLAN_CMD:
case DEL_VLAN_CMD:
case GET_VLAN_REALDEV_NAME_CMD:
case GET_VLAN_VID_CMD:
// 根据用户传入的设备名查找对应的设备管理块
dev = __dev_get_by_name(net, args.device1);
// 以上这些命令中除了ADD_VLAN_CMD，必须确保device1传入的设备名指的是vlan设备
if (args.cmd != ADD_VLAN_CMD && !is_vlan_dev(dev))
goto out;
}
switch (args.cmd)
{
case SET_VLAN_INGRESS_PRIORITY_CMD: // 暂略
break;
case SET_VLAN_EGRESS_PRIORITY_CMD: // 暂略
break;
case SET_VLAN_FLAG_CMD:
// 设置vlan标志位命令的用户需要进行管理员级别权限测试
if (!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_ADMIN))
break;
// 如果传入的vlan设备名风格有效则更新
if ((args.u.name_type >= 0) &&(args.u.name_type < VLAN_NAME_TYPE_HIGHEST))
{
struct vlan_net *vn;
vn = net_generic(net, vlan_net_id);
vn->name_type = args.u.name_type;
}
break;
case ADD_VLAN_CMD:
// 添加vlan设备的用户需要进行管理员级别权限测试
if (!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_ADMIN))
break;
// 在宿主设备上注册一个新的vlan设备
register_vlan_device(dev, args.u.VID);
break;
case DEL_VLAN_CMD:
// 删除vlan设备的用户需要进行管理员级别权限测试
if (!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_ADMIN))
break;
// 注销vlan设备
unregister_vlan_dev(dev, NULL);
break;
case GET_VLAN_REALDEV_NAME_CMD:
// 获取vlan设备对应的宿主设备名
vlan_dev_get_realdev_name(dev, args.u.device2);
// 拷贝回用户空间
copy_to_user(arg, &args,sizeof(struct vlan_ioctl_args));
break;
case GET_VLAN_VID_CMD:
// 获取该vlan设备的vid
args.u.VID = vlan_dev_vlan_id(dev);
// 拷贝回用户空间
copy_to_user(arg, &args,sizeof(struct vlan_ioctl_args));
break;
}
}
3.1.1 VLAN设备的创建
/* 在宿主设备上注册一个新的VLAN设备
* @real_dev - 宿主设备(一般就是真实的网卡，但对交换机来说，可能是DSA中创建的虚拟端口)
* @vlan_id - 要创建的VLAN设备的ID
*/
int register_vlan_device(struct net_device *real_dev, u16 vlan_id)
{
// 首先获取宿主设备所在的网络命名空间
struct net *net = dev_net(real_dev);
// 然后根据vlan_net_id在索引得到对应的私有空间，也就是vlan_net
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
// vlan id号不能超过4096
if (vlan_id >= VLAN_VID_MASK)
return -ERANGE;
// 检查宿主设备是否支持vlan协议以及要创建的vlan id在该设备上是否已经存在
vlan_check_real_dev(real_dev, htons(ETH_P_8021Q), vlan_id);
// 根据vlan设备不同的显示风格生成相应的vlan设备名
switch(vn->name_type)
{
case VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID_NO_PAD:
snprintf(name, IFNAMSIZ, "%s.%i", real_dev->name, vlan_id);
break;
...
}
// 创建一个vlan设备，并执行vlan_setup完成基本的初始化
new_dev = alloc_netdev(sizeof(struct vlan_dev_priv), name, vlan_setup);
// 将新创建的vlan设备关联到当前的网络命名空间
dev_net_set(new_dev, net);
new_dev->mtu = real_dev->mtu; // 将宿主设备的mtu继承到vlan设备
new_dev->priv_flags |= (real_dev->priv_flags & IFF_UNICAST_FLT); // 如果宿主设备支持单播过滤功能，则同样继承到vlan设备
// 初始化vlan设备附属的私有空间vlan_dev_priv
vlan = vlan_dev_priv(new_dev);
vlan->vlan_proto = htons(ETH_P_8021Q);
vlan->vlan_id = vlan_id;
vlan->real_dev = real_dev;
vlan->dent = NULL;
vlan->flags = VLAN_FLAG_REORDER_HDR;
new_dev->rtnl_link_ops = &vlan_link_ops;// 注册netlink接口操作集合用于管理该vlan设备
// 进一步注册该vlan设备
register_vlan_dev(new_dev);
}
/* 每个新创建的vlan设备初始化回调函数
*/
void vlan_setup(struct net_device *dev)
{
// 为vlan设备设置一些链路层基本参数
ether_setup(dev);
dev->priv_flags |= IFF_802_1Q_VLAN; // 表明这是一个vlan设备
dev->priv_flags &= ~(IFF_XMIT_DST_RELEASE | IFF_TX_SKB_SHARING);
dev->tx_queue_len = 0;
dev->netdev_ops = &vlan_netdev_ops; // 注册vlan设备管理操作回调函数集
dev->destructor = vlan_dev_free; // 注册vlan设备注销回调函数
dev->ethtool_ops = &vlan_ethtool_ops; // 注册使用ethtool工具操作vlan设备的回调函数集
memset(dev->broadcast, 0, ETH_ALEN); // 清零广播mac
}
/* 进一步注册该vlan设备
*/
int register_vlan_dev(struct net_device *dev)
{
struct vlan_dev_priv *vlan = vlan_dev_priv(dev); // 获取vlan设备附属的私有空间
struct net_device *real_dev = vlan->real_dev; // 获取宿主设备
u16 vlan_id = vlan->vlan_id; // 获取vlan id
// 将指定vlan协议ID的vlan id添加到宿主设备的vlan_info管理块中
vlan_vid_add(real_dev, vlan->vlan_proto, vlan_id);
// 确保程序运行到这里时宿主设备的vlan_info成员不再为空
vlan_info = rtnl_dereference(real_dev->vlan_info);
// 对四维结构的vlan组模型在第三维度上进行预分配
vlan_group_prealloc_vid(grp, vlan->vlan_proto, vlan_id);
// 设置该vlan设备的嵌套级别
vlan->nest_level = dev_get_nest_level(real_dev, is_vlan_dev) + 1;
// 注册该网络设备到内核中，注册结果会从通知链中反馈
register_netdevice(dev);
// 将vlan设备加入宿主设备的upper邻接链表中
netdev_upper_dev_link(real_dev, dev);
// 宿主设备的引用计数加1
dev_hold(real_dev);
// 从宿主设备继承一些状态(比如设备的链路状态)
netif_stacked_transfer_operstate(real_dev, dev);
// 将vlan设备加入lweventlist通知链
linkwatch_fire_event(dev);
// 最后一步，将指定的vlan设备记录到四维vlan组模型中
vlan_group_set_device(grp, vlan->vlan_proto, vlan_id, dev);
grp->nr_vlan_devs++;
}
3.2 netlink方式分析
VLAN模块初始化过程中还通过vlan_netlink_init注册了一组netlink接口vlan_link_ops用于操作VLAN模块
3.2.1 VLAN设备的创建
/* 注册并配置一个新的vlan设备
* @src_net - 所处的网络命名空间
* @dev - 新创建的网络设备
* @tb[] - ?
* @data[] - ?
*
* 备注：对应ioctl接口的函数register_vlan_device，主要的区别在于调用本函数前vlan设备管理块已经被创建
*/
int vlan_newlink(struct net *src_net, struct net_device *dev,struct nlattr *tb[], struct nlattr *data[])
{
struct vlan_dev_priv *vlan = vlan_dev_priv(dev);
// 检查是否有传入IFLA_VLAN_ID属性
if (!data[IFLA_VLAN_ID])
return -EINVAL;
// 检查是否有传入IFLA_LINK属性
if (!tb[IFLA_LINK])
return -EINVAL;
// 从IFLA_LINK属性中获取宿主设备接口序号，再根据接口序号索引得到对应的宿主设备
real_dev = __dev_get_by_index(src_net, nla_get_u32(tb[IFLA_LINK]));
// 如果传入了IFLA_VLAN_PROTOCOL属性则从中获取vlan的协议类型，否则采用缺省的vlan协议类型
if (data[IFLA_VLAN_PROTOCOL])
proto = nla_get_be16(data[IFLA_VLAN_PROTOCOL]);
else
proto = htons(ETH_P_8021Q);
// 初始化vlan设备附属的私有空间vlan_dev_priv
vlan->vlan_proto = proto;
vlan->vlan_id = nla_get_u16(data[IFLA_VLAN_ID]);
vlan->real_dev = real_dev;
vlan->flags = VLAN_FLAG_REORDER_HDR;
// 检查宿主设备是否支持vlan协议以及要创建的vlan id在该设备上是否已经存在
vlan_check_real_dev(real_dev, vlan->vlan_proto, vlan->vlan_id);
// 如果没有传入IFLA_MTU属性则从宿主设备继承mtu值，否则意味着使用了自定义的mtu值，这时候需要确保自定义值不大于宿主设备上的mtu值
if (!tb[IFLA_MTU])
dev->mtu = real_dev->mtu;
else if (dev->mtu > real_dev->mtu)
return -EINVAL;
// 该vlan设备在这里继续处理来自用户空间设置的参数
vlan_changelink(dev, tb, data);
// 进一步注册该vlan设备
return register_vlan_dev(dev);
}