linux网络子系统分析（一）——协议栈分层实现综述

目录

一、概述

二、Linux网络子系统的分层

2.1 为何要分层

2.2 协议无关接口

2.3 网络协议层

2.4 设备无关接口

2.5 设备层

三、参考

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一、概述

开篇，总结一下对linux协议栈的理解，备忘。

关于符号约定，代码路径使用[]包含,结构体使用结构体定义名称+{}表示

二、Linux网络子系统的分层

2.1 为何要分层

linux网络子系统实现需要：

• 支持不同的协议族 ( INET, INET6, UNIX, NETLINK...)
• 支持不同的网络设备
• 支持统一的BSD socket API

需要屏蔽协议、硬件、平台(API)的差异，因而采用分层结构：

2.2 协议无关接口

 协议无关接口对应socket layer，我的理解是按照如下图组织的：

上图左半部分的socket layer提供了两个接口

1. 向上层提供address family相关接口——net_proto_family{}
2. 向上层提供对应于BSD socket 的接口——proto_ops{}

同时，网络协议层为socket层提供具体协议接口——proto{}，以上三个接口功能即作用总结如下表:

接口名称	定义位置	注册接口	作用
net_proto_family{}	include/linux/net.h	sock_register	为网络协议层提供address family的注册接口
proto{}	include/net/sock.h	proto_register/ inet_register_protosw	为网络协议层提供protocol注册接口
proto_ops{}	include/linux/net.h	inet_register_protosw	为VFS提供BSD socket注册接口

下面以具体的协议INET来分析，对于address family接口，可以看到family<->create的对应

struct net_proto_family {
	int		family;
	int		(*create)(struct net *net, struct socket *sock,
				  int protocol, int kern);
	struct module	*owner;
};

对于proto接口，情况稍有不同，proto基本上是方法的合集，需要建立和type的映射关系，另一方面作为对上层提供的proto_ops，也需要建立和type的对应，因此inet引入另一个结构，集中进行管理注册，该结构是inet_protosw

[include/net/protocol.h]

/* This is used to register socket interfaces for IP protocols.  */
struct inet_protosw {
	struct list_head list;

        /* These two fields form the lookup key.  */
	unsigned short	 type;	   /* This is the 2nd argument to socket(2). */
	unsigned short	 protocol; /* This is the L4 protocol number.  */

	struct proto	 *prot;
	const struct proto_ops *ops;
  
	unsigned char	 flags;      /* See INET_PROTOSW_* below.  */
};

看定义看到type<->proto<->proto_ops的对应关系

实际上实现也是如此，通过接口inet_register_protosw将proto和proto_ops加入到inetsw的type数组中便于检索。这里面还有一个永久协议的概念，参见其中的flag参数。

至此，socket层的抽象接口已经建立并管理起来了。

再来看图的右半部分，可以发现每一层都有一个抽象的实体与之对应：file，socket，sock，从图中可以看出socket的承上启下的作用：向上指向file，向下指向sock，所以上面描述的三个分层可以看作是以抽象数据结构作为对象，使用抽象出来的接口作为对象拥有的行为。

这里sock是一个基类，不同的address family有不同的sock，如对于INET来说，初始化为inet_sock。

2.3 网络协议层

以INET层为例，网络协议层分为transport layer和network layer，我的理解如下：

这里看到提供接口的方向是向下的，实际对应报文接收流程，报文由下到上需要解复用。

网络层和传输层之间使用net_protocol建立protocol<->handler的对应关系，即通过IP包头protocol分析出传输层handler(tcp/udp/icmp/igmp)在网络层和设备无关层使用packet_type建立type<->func的对应关系，即通过二层头type分析出网络层func(arp, ip)。

接口	定义位置	注册接口	作用
net_protocol{}	include/net/protocol.h	inet_add_protocol	传输层和网络层收包解复用
packet_type{}	include/linux/netdevice.h	dev_add_pack	网络层和设备无关层收报解复用

 

上图中只说明了发方向，对于发方向，由于在INET中，网络层只有IP，因此就无需提供注册了，网络层向传输层提供的接口有：

ip_append_data/ip_append_page ,ip_push_pending_frames

ip_append_data() and ip_append_page() can make one large IP datagram from many pieces of data. Each pieces will be holded on the socket until ip_push_pending_frames() is called

2.4 设备无关接口

net_device是对网络设备的抽象，针对net_device有许多通用的接口，在发送侧，向网络层提供接口名称为dev_queue_xmit的接口，这里还有一个QOS层，如上图所示

接口名称	定义位置	注册接口	作用
net_device_ops{}	include/linux/netdevice.h	register_netdev	提供操作具体物理设备的通用接口

2.5 设备层

具体的网络驱动实现，这里先不详细展开。

三、参考

【1】Linux 网络栈剖析

【2】浅析Linux网络子系统（一）

【3】深入浅出Linux TCP/IP协议栈  罗钰 编著