Linux内核bridge浅析

Linux网桥模型:

  Linux内核通过一个虚拟的网桥设备来实现桥接的,这个设备可以绑定若干个以太网接口设备,从而将它们桥接起来。如下图所示:

Linux内核bridge浅析_第1张图片

 

网桥设备br0绑定了eth0和eth1。对于网络协议栈的上层来说,只看得到br0,因为桥接是在数据链路层实现的,上层不需要关心桥接的细节。于是协议栈上层需要发送的报文被送到br0,网桥设备的处理代码再来判断报文该被转发到eth0或是eth1,或者两者皆是;反过来,从eth0或从eth1接收到的报文被提交给网桥的处理代码,在这里会判断报文该转发、丢弃、或提交到协议栈上层。

  而有时候eth0、eth1也可能会作为报文的源地址或目的地址,直接参与报文的发送与接收(从而绕过网桥)。

  相关数据结构:

Linux内核bridge浅析_第2张图片

 

其中最左边的net_device是一个代表网桥的虚拟设备结构,它关联了一个net_bridge结构,这是网桥设备所特有的数据结构。

  在net_bridge结构中,port_list成员下挂一个链表,链表中的每一个节点(net_bridge_port结构)关联到一个真实的网口设备的net_device。网口设备也通过其br_port指针做反向的关联(那么显然,一个网口最多只能同时被绑定到一个网桥)。

  net_bridge结构中还维护了一个hash表,是用来处理地址学习的。当网桥准备转发一个报文时,以报文的目的Mac地址为key,如果可以在hash表中索引到一个net_bridge_fdb_entry结构,通过这个结构能找到一个网口设备的net_device,于是报文就应该从这个网口转发出去;否则,报文将从所有网口转发。

  网桥数据包的处理流程:

  接收过程:

  对于数据包的处理流程并没有明显的主线,主要就是根据内核代码中网桥部分的源码进行分析。

  网口设备接收到的报文最终通过net_receive_skb函数被网络协议栈所接收。这个函数主要做三件事情:1、如果有抓包程序需要skb,将skb复制给它们;2、处理桥接;3、将skb提交给网络层。

  int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)

  {

  ......

  if (handle_bridge(&skb, &pt_prev, &ret, orig_dev))

  goto out;

  ......

  }

  static inline struct sk_buff *handle_bridge(struct sk_buff *skb,

  struct packet_type **pt_prev, int *ret,

  struct net_device *orig_dev)

  {

  struct net_bridge_port *port;

  //对于回环设备以及skb->dev->br_port为空(即不被任何网桥所包含)的数据包直接返回

  if (skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK ||

  (port = rcu_dereference(skb->dev->br_port)) == NULL)

  return skb;

  if (*pt_prev) {

  *ret = deliver_skb(skb, *pt_prev, orig_dev);

  *pt_prev = NULL;

  }

  //网桥的基本挂接点处理函数

  return br_handle_frame_hook(port, skb);

  }

  br_handle_frame_hook在网桥初始化模块br_init(void)函数中被赋值.

  br_handle_frame_hook = br_handle_frame;

  所以网桥对于数据包的处理过程是从br_handle_frame开始的。

struct sk_buff *br_handle_frame(struct net_bridge_port *p, struct sk_buff *skb)

  {

  const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;

  int (*rhook)(struct sk_buff *skb);

  //判断是否为有效的物理地址,非全0地址以及非广播地址

  if (!is_valid_ether_addr(eth_hdr(skb)->h_source))

  goto drop;

  //判断skb包是否被共享skb->users != 1,若是,则复制一份,否则直接返回

  skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC);

  if (!skb)

  return NULL;

  //这个函数并非像想象的那样,判断是否为本地地址

  //而是在判断是否为链路本地多播地址,01:80:c2:00:00:0x

  if (unlikely(is_link_local(dest))) {

  /* Pause frames shouldn't be passed up by driver anyway */

  if (skb->protocol == htons(ETH_P_PAUSE))

  goto drop;

  /* If STP is turned off, then forward */

  if (p->br->stp_enabled == BR_NO_STP && dest[5] == 0)

  goto forward;

  if (NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, skb->dev,

  NULL, br_handle_local_finish))

  return NULL;  /* frame consumed by filter */

  else

  return skb;      /* continue processing */

  }

  forward:

  switch (p->state) {

  case BR_STATE_FORWARDING:

  //如果网桥处于forwarding状态,并且该报文必须要走L3层进行转发,则直接返回

  //br_should_route_hook钩子函数在ebtable里面设置为ebt_broute函数,它根据用户的规

  //决定该报文是否要通过L3层来转发;一般rhook为空

  rhook = rcu_dereference(br_should_route_hook);

  if (rhook != NULL) {

  if (rhook(skb))

  return skb;

  dest = eth_hdr(skb)->h_dest;

  }

  /* fall through */

  case BR_STATE_LEARNING:

  //如果数据包的目的mac地址为虚拟网桥设备的mac地址,则标记为host

  if (!compare_ether_addr(p->br->dev->dev_addr, dest))

  skb->pkt_type = PACKET_HOST;

  //调用网桥在NF_BR_PREROUTING处挂载的钩子函数,因为网桥在其钩子函数过//程中嵌套调用了INET层BR_PREROUTING的钩子函数,过程有些曲折,故最后//再分析

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,

  br_handle_frame_finish);

  break;

  default:

  drop:

  kfree_skb(skb);

  }

  return NULL;

  }

  FORWARDING以及LEARNING为网桥的状态,网桥端口一般有5种状态:

  1)  disable 被管理员禁用

  2)  blcok 休息,不参与数据包转发

  3)  listening 监听

  4)  learning 学习ARP信息,准备向工作状态改变

  5)  forwarding 正常工作,转发数据包

  /* note: already called with rcu_read_lock (preempt_disabled) */

  int br_handle_frame_finish(struct sk_buff *skb)

  {

  const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;

  struct net_bridge_port *p = rcu_dereference(skb->dev->br_port);

  struct net_bridge *br;

  struct net_bridge_fdb_entry *dst;

  struct sk_buff *skb2;

  //判断网桥状态

  if (!p || p->state == BR_STATE_DISABLED)

  goto drop;

  /* insert into forwarding database after filtering to avoid spoofing */

  //br为虚拟网桥结构

  br = p->br;

//根据数据包的源物理地址,更新网桥的转发表

  br_fdb_update(br, p, eth_hdr(skb)->h_source);

  if (p->state == BR_STATE_LEARNING)

  goto drop;

  /* The packet skb2 goes to the local host (NULL to skip). */

  //skb2数据包用于交付本机,skb数据包则用于forward

  skb2 = NULL;

  //如果网口处于混杂模式,复制一份交付主机

  if (br->dev->flags & IFF_PROMISC)

  skb2 = skb;

  dst = NULL;

  //如果为广播数据包,增加计数,同样需要发一份给主机

  if (is_multicast_ether_addr(dest)) {

  br->dev->stats.multicast++;

  skb2 = skb;

  }

  /*根据网桥口以及目标地址判断是否为本机数据包*/

  else if ((dst = __br_fdb_get(br, dest)) && dst->is_local) {

  skb2 = skb;

  /* Do not forward the packet since it's local. */

  skb = NULL;

  }

  if (skb2 == skb)

  skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);

  if (skb2)

  /*完成将数据包交付给本机的工作*/

  br_pass_frame_up(br, skb2);

  if (skb) {

  if (dst)

  //如果存在目的地址则将其转发

  br_forward(dst->dst, skb);

  else

  //否则,flood数据包,向除接收网口外的其余网口发送该数据包

  br_flood_forward(br, skb);

  }

  out:

  return 0;

  drop:

  kfree_skb(skb);

  goto out;

  }

  //此函数主要实现通过网桥接收发往本机的数据包

  static void br_pass_frame_up(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb)

  {

  struct net_device *indev, *brdev = br->dev;

  //完成数据包的统计计数

  brdev->stats.rx_packets++;

  brdev->stats.rx_bytes += skb->len;

  //将skb的dev改变为网桥结构的brdev

  //此时skb的dev选项由实际网络设备eth0等改变为虚拟网桥设备br0

  indev = skb->dev;

  skb->dev = brdev;

  //重新走数据包接收流程,netif_receive_skb

  //但因为dev的改变,dev的br_port字段不再为空,不会重走网桥流程,直接交付

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL,

  netif_receive_skb);

  }

  下面看一下转发数据包的流程,对于flood_forward的流程,同样通过br_forward来实现,只不过改为循环遍历hash表中的设备,对于每一个设备都调用一次br_forward流程。

  /* called with rcu_read_lock */

  void br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)

  {

  /*如果skb->dev 不等于网桥的dev,同时网桥状态为forwarding,则进行转发*/

  if (should_deliver(to, skb)) {

  __br_forward(to, skb);

  return;

  }

  kfree_skb(skb);

  }

  static void __br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)

  {

  struct net_device *indev;

  if (skb_warn_if_lro(skb)) {

  kfree_skb(skb);

  return;

  }

  //将skb的dev字段改为查找到的出口dev字段

  indev = skb->dev;

  skb->dev = to->dev;

  skb_forward_csum(skb);

  //遍历执行NF_BR_FORWARD钩子函数

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_FORWARD, skb, indev, skb->dev,

  br_forward_finish);

  }

  int br_forward_finish(struct sk_buff *skb)

  {

  //继续跑NF_BR_POST_ROUTING处的钩子函数

  return NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL, skb->dev,

  br_dev_queue_push_xmit);

  }

int br_dev_queue_push_xmit(struct sk_buff *skb)

  {

  /* drop mtu oversized packets except gso */

  /*如果skb数据包的长度大于MTU值,则丢弃*/

  if (packet_length(skb) > skb->dev->mtu && !skb_is_gso(skb))

  kfree_skb(skb);

  else {

  /* ip_refrag calls ip_fragment, doesn't copy the MAC header. */

  if (nf_bridge_maybe_copy_header(skb))

  kfree_skb(skb);

  else {

  skb_push(skb, ETH_HLEN);

  // 此时skb的dev已经替换成进行转发的dev了,dev_queue_xmit将使

  //用该网口设备的发送函数完成数据包的发送

  dev_queue_xmit(skb);

  }

  }

  return 0;

  }

  发送过程:

  协议栈上层需要发送报文时,调用dev_queue_xmit(skb)函数。如果这个报文需要通过网桥设备来发送,则skb->dev指向一个网桥设备。网桥设备没有使用发送队列(dev->qdisc为空),所以dev_queue_xmit将直接调用dev->hard_start_xmit函数,而网桥设备的hard_start_xmit等于函数br_dev_xmit;

  /* net device transmit always called with no BH (preempt_disabled) */

  /*br_dev_xmit为网桥设备的数据包发送函数*/

  int br_dev_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)

  {

  struct net_bridge *br = netdev_priv(dev);

  const unsigned char *dest = skb->data;

  struct net_bridge_fdb_entry *dst;

  dev->stats.tx_packets++;

  dev->stats.tx_bytes += skb->len;

  skb_reset_mac_header(skb);

  skb_pull(skb, ETH_HLEN);

  /*如果为广播地址,则flood该数据包

  * 如果能够根据skb中的目的mac地址查找到对应的网口,则通过br_deliver发送该数据包

  * 如果查找不到,同样flood该数据包

  */

  if (dest[0] & 1)

  br_flood_deliver(br, skb);

  else if ((dst = __br_fdb_get(br, dest)) != NULL)

  br_deliver(dst->dst, skb);

  else

  br_flood_deliver(br, skb);

  return 0;

  }

  br_flood_deliver函数的实现过程,同样是遍历hash表,对于每一个网口设备都调用一次__br_deliver,所以下面就主要看一下br_deliver函数的流程

  void br_deliver(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)

  {

  if (should_deliver(to, skb)) {

  __br_deliver(to, skb);

  return;

  }

  kfree_skb(skb);

  }

  static void __br_deliver(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)

  {

  /*将skb中的dev改成出口设备所对应的dev*/

  skb->dev = to->dev;

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_OUT, skb, NULL, skb->dev,

  br_forward_finish);

  }

  /*最终仍然通过br_dev_queue_push_xmit完成数据包的发送过程*/

  int br_forward_finish(struct sk_buff *skb)

  {

  return NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL, skb->dev,

  br_dev_queue_push_xmit);

  }

  至此,整个网桥中数据的处理流程已经完全结束了。

  Netfilter:

  对于网桥中的netfilter的钩子函数的调度过程有些曲折,对于INET层的钩子函数全部被嵌套进BRIDGE层钩子函数的运行流程中。

  下面首先来看一下网桥一共挂载了哪些钩子函数

  static struct nf_hook_ops br_nf_ops[] __read_mostly = {

  { .hook = br_nf_pre_routing,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_BRIDGE,

  .hooknum = NF_BR_PRE_ROUTING,

  .priority = NF_BR_PRI_BRNF, },

  { .hook = br_nf_local_in,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_BRIDGE,

  .hooknum = NF_BR_LOCAL_IN,

  .priority = NF_BR_PRI_BRNF, },

  { .hook = br_nf_forward_ip,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_BRIDGE,

  .hooknum = NF_BR_FORWARD,

  .priority = NF_BR_PRI_BRNF - 1, },

{ .hook = br_nf_forward_arp,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_BRIDGE,

  .hooknum = NF_BR_FORWARD,

  .priority = NF_BR_PRI_BRNF, },

  { .hook = br_nf_local_out,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_BRIDGE,

  .hooknum = NF_BR_LOCAL_OUT,

  .priority = NF_BR_PRI_FIRST, },

  { .hook = br_nf_post_routing,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_BRIDGE,

  .hooknum = NF_BR_POST_ROUTING,

  .priority = NF_BR_PRI_LAST, },

  //以上为BRIDGE层挂载的钩子函数,一下为INET层挂载的钩子函数

  { .hook = ip_sabotage_in,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_INET,

  .hooknum = NF_INET_PRE_ROUTING,

  .priority = NF_IP_PRI_FIRST, },

  { .hook = ip_sabotage_in,

  .owner = THIS_MODULE,

  .pf = PF_INET6,

  .hooknum = NF_INET_PRE_ROUTING,

  .priority = NF_IP6_PRI_FIRST, },

  };

  其实在这些钩子函数内部并没有涉及数据包操作的具体流程,大多是一些条件判断和验证的工作,现在就拿发往本机的数据包在作为一个例子,看一下这个数据包在netfilter中的流经过程(自认为还算有代表意义)。

  对于发往本机网桥口的skb包,其skb->dev->br_port不为空,因此会进入网桥的处理流程,br_handler_frame,在此函数的退出处会首先运行NF_BR_PRE_ROUTING的钩子函数

  NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,

  br_handle_frame_finish);

  网桥挂载在BR_PRE_ROUTING的函数为br_nf_pre_routing

  在此函数内部首先完成ipv4及ipv6数据的分流,这里只考虑ipv4数据,接着进行ipv4数据正确性的验证,以及网桥标记nf_bridge->mask |= BRNF_NF_BRIDGE_PREROUTING;(下面还要用到此标记)在函数的最后通过NF_HOOK(PF_INET, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,br_nf_pre_routing_finish)完成对于INET层PRE_ROUTING钩子函数的遍历。

  遍历结束后进入br_nf_pre_routing_finish函数,这个函数首先对数据包打标记,nf_bridge->mask ^= BRNF_NF_BRIDGE_PREROUTING;(跟上一个标记对应)主要处理skb包需要进行dnat的情形(貌似,没有细看),在函数的最后

  NF_HOOK_THRESH(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,

  br_handle_frame_finish, 1);

  在这里通过NF_HOOK_THRESH而非NF_HOOK的意思是因为,NF_HOOK_THRESH是从当前优先级的下一个函数开始遍历所有的钩子函数,在这里也就是说从br_nf_pre_routing函数的下一个优先级函数开始遍历BR_PRE_ROUTING的后续函数,虽然目前网桥只挂载了这一个函数,但是这属于Netfilter的机制问题。

  接着,在跑完BR_PRE_ROUTING的剩余函数后就进入br_handle_frame_finish函数,对于本机数据包则继续调用br_pass_frame_up函数,在br_pass_frame_up函数中将skb的dev字段修改为虚拟网桥的dev,最后NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL,      netif_receive_skb);将数据包重新跑skb的接收流程,由于网桥设备的dev->br_port不为空,因此不会再进入网桥处理流程了。

  那网桥是怎样防止同一个skb包跑两次INET_PRE_ROUTING的流程呢,主要就是通过挂在在INET_PRE_ROUTING出优先级最高的NF_IP_PRI_FIRST处的函数ip_sabotage_in以及上文特殊提到的两个打标记的代码来完成的。

  static unsigned int ip_sabotage_in(unsigned int hook, struct sk_buff *skb,

  const struct net_device *in,

  const struct net_device *out,

  int (*okfn)(struct sk_buff *))

  {

  /*此钩子函数用于确保发往本机的skb包只跑一次INET_PRE_ROUTING的钩子函数

  * 在第一次进入BR_PRE_ROUTING时打上标记mask,在BR_PRE_ROUTING的钩子函数中遍历INET_PRE_ROUTING的钩子函数

  * 在br_pre_routing结束的时候,异或该mask值,这样就使得发往本机的skb包在第二次交付的时候可以不再跑钩子

  */

  if (skb->nf_bridge &&

  !(skb->nf_bridge->mask & BRNF_NF_BRIDGE_PREROUTING)) {

  return NF_STOP;

  }

  return NF_ACCEPT;

  }

  NF_STOP的意思就是说该skb包就立即结束检查而接受,不再进入链表中后续的hook节点。

  整个网桥模块大体就是这个样子,剩下的还有网桥的生成树协议,这周打算把这个搞懂。。。

  第一次写分析,自己给自己加油,继续努力~

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