【Linux 内核网络协议栈源码剖析】数据包发送
由于在connect函数中涉及数据包的发送与接收问题，事实上，发送与接收函数不限于connect函数，所以这里单独剖析。
承前文继续剖析 connect 函数，数据包的发送和接收在 ip_queue_xmit 函数和 release_sock 函数中实现。本文着重分析 ip_queue_xmit 函数，下篇将补充分析 connect 函数剩下的部分。
值得注意的是：这些函数是数据包发送函数，在数据传输阶段，基本上都会调用该函数，因为connect涉及该函数，就放在这里介绍了，不意味着这个函数只属于connect下层函数。
5、网络层——ip_queue_xmit 函数
/*
* Queues a packet to be sent, and starts the transmitter
* if necessary. if free = 1 then we free the block after
* transmit, otherwise we don't. If free==2 we not only
* free the block but also don't assign a new ip seq number.
* This routine also needs to put in the total length,
* and compute the checksum
*/
//数据包发送函数
//sk:被发送数据包对应的套接字；dev:发送数据包的网络设备
//skb:被发送的数据包 ；flags:是否对数据包进行缓存以便于此后的超时重发
void ip_queue_xmit(struct sock *sk, struct device *dev,
struct sk_buff *skb, int free)
{
struct iphdr *iph;
unsigned char *ptr;
/* Sanity check */
//发送设备检查
if (dev == NULL)
{
printk("IP: ip_queue_xmit dev = NULL\n");
return;
}
IS_SKB(skb);//数据包合法性检查
/*
* Do some book-keeping in the packet for later
*/
skb->dev = dev;
skb->when = jiffies;//重置数据包的发送时间，只有一个定时器，每次发数据包时，都要重新设置
/*
* Find the IP header and set the length. This is bad
* but once we get the skb data handling code in the
* hardware will push its header sensibly and we will
* set skb->ip_hdr to avoid this mess and the fixed
* header length problem
*/
//skb->data指向的地址空间的布局: MAC首部 | IP首部 | TCP首部 | 有效负载
ptr = skb->data;//获取数据部分首地址
ptr += dev->hard_header_len;//后移硬件(MAC)首部长度个字节，定位到ip首部
iph = (struct iphdr *)ptr;//获取ip首部
skb->ip_hdr = iph;//skb对应字段建立关联
//ip数据报的总长度(ip首部+数据部分) = skb的总长度 - 硬件首部长度
iph->tot_len = ntohs(skb->len-dev->hard_header_len);
#ifdef CONFIG_IP_FIREWALL
//数据包过滤，用于防火墙安全性检查
if(ip_fw_chk(iph, dev, ip_fw_blk_chain, ip_fw_blk_policy, 0) != 1)
/* just don't send this packet */
return;
#endif
/*
* No reassigning numbers to fragments...
*/
//如果不是分片数据包，就需要递增id字段
//free==2，表示这是个分片数据包，所有分片数据包必须具有相同的id字段，方便以后分片数据包重组
if(free!=2)
iph->id = htons(ip_id_count++);//ip数据报标识符
//ip_id_count是全局变量，用于下一个数据包中ip首部id字段的赋值
else
free=1;
/* All buffers without an owner socket get freed */
if (sk == NULL)//没有对应sock结构，则无法对数据包缓存
free = 1;
skb->free = free;//用于标识数据包发送之后是缓存还是立即释放,=1表示无缓存
/*
* Do we need to fragment. Again this is inefficient.
* We need to somehow lock the original buffer and use
* bits of it.
*/
//数据包拆分
//如果ip层数据包的数据部分(各层首部+有效负载)长度大于网络设备的最大传输单元，就需要拆分发送
//实际是skb->len - dev->hard_header_len > dev->mtu
//因为MTU最大报文长度表示的仅仅是IP首部及其数据负载的长度，所以要考虑MAC首部长度
if(skb->len > dev->mtu + dev->hard_header_len)
{
//拆分成分片数据包传输
ip_fragment(sk,skb,dev,0);
IS_SKB(skb);//检查数据包skb相关字段
kfree_skb(skb,FREE_WRITE);
return;
}
/*
* Add an IP checksum
*/
//ip首部校验和计算
ip_send_check(iph);
/*
* Print the frame when debugging
*/
/*
* More debugging. You cannot queue a packet already on a list
* Spot this and moan loudly.
*/
if (skb->next != NULL)
{
printk("ip_queue_xmit: next != NULL\n");
skb_unlink(skb);
}
/*
* If a sender wishes the packet to remain unfreed
* we add it to his send queue. This arguably belongs
* in the TCP level since nobody else uses it. BUT
* remember IPng might change all the rules.
*/
//free=0，表示对数据包进行缓存，一旦发生丢弃的情况，进行数据包重传(可靠性数据传输协议)
if (!free)
{
unsigned long flags;
/* The socket now has more outstanding blocks */
sk->packets_out++;//本地发送出去但未得到应答的数据包数目
/* Protect the list for a moment */
save_flags(flags);
cli();
//数据包重发队列
if (skb->link3 != NULL)
{
printk("ip.c: link3 != NULL\n");
skb->link3 = NULL;
}
if (sk->send_head == NULL)
{
//数据包重传缓存队列则是由下列两个字段维护
sk->send_tail = skb;
sk->send_head = skb;
}
else
{
sk->send_tail->link3 = skb;
sk->send_tail = skb;
}
/* skb->link3 is NULL */
/* Interrupt restore */
restore_flags(flags);
}
else
/* Remember who owns the buffer */
skb->sk = sk;
/*
* If the indicated interface is up and running, send the packet.
*/
ip_statistics.IpOutRequests++;
#ifdef CONFIG_IP_ACCT
//下面函数内部调用ip_fw_chk，也是数据包过滤
ip_acct_cnt(iph,dev, ip_acct_chain);
#endif
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
//对于多播和广播数据包，其必须复制一份回送给本机
/*
* Multicasts are looped back for other local users
*/
/*对多播和广播数据包进行处理*/
//检查目的地址是否为一个多播地址
if (MULTICAST(iph->daddr) && !(dev->flags&IFF_LOOPBACK))
{
//检查发送设备是否为一个回路设备
if(sk==NULL || sk->ip_mc_loop)
{
if(iph->daddr==IGMP_ALL_HOSTS)//如果是224.0.0.1(默认多播地址)
ip_loopback(dev,skb);//数据包回送给发送端
else
{ //检查多播地址列表，对数据包进行匹配
struct ip_mc_list *imc=dev->ip_mc_list;
while(imc!=NULL)
{
if(imc->multiaddr==iph->daddr)//如果存在匹配项，则回送数据包
{
ip_loopback(dev,skb);
break;
}
imc=imc->next;
}
}
}
/* Multicasts with ttl 0 must not go beyond the host */
//检查ip首部ttl字段，如果为0，则不可进行数据包发送(转发)
if(skb->ip_hdr->ttl==0)
{
kfree_skb(skb, FREE_READ);
return;
}
}
#endif
//对广播数据包的判断
if((dev->flags&IFF_BROADCAST) && iph->daddr==dev->pa_brdaddr && !(dev->flags&IFF_LOOPBACK))
ip_loopback(dev,skb);
//对发送设备当前状态的检查，如果处于非工作状态，则无法发送数据包，此时进入else执行
if (dev->flags & IFF_UP)
{
/*
* If we have an owner use its priority setting,
* otherwise use NORMAL
*/
//调用下层接口函数dev_queue_xmit，将数据包交由链路层处理
if (sk != NULL)
{
dev_queue_xmit(skb, dev, sk->priority);
}
else
{
dev_queue_xmit(skb, dev, SOPRI_NORMAL);
}
}
else
{
ip_statistics.IpOutDiscards++;
if (free)
kfree_skb(skb, FREE_WRITE);//丢弃数据包，对tcp可靠传输而言，将造成数据包超时重传
}
}上面函数功能可以总结为：
1. 相关合法性检查；
2. 防火墙过滤；
3. 对数据包是否需要分片发送进行检查；
4. 进行可能的数据包缓存处理；
5. 对多播和广播数据报是否需要回送本机进行检查；
6. 调用下层接口函数 dev_queue_xmit 将数据包送往链路层进行处理。
上面函数内部涉及到一个函数，把数据包分片，当数据包大小大于最大传输单元时，需要将数据包分片传送，这里则是通过函数 ip_fragment 实现的。
ip_fragment函数：将大数据包（大于最大传输单元(最大传输单元指的是ip报，不包含mac头部)）分片发送。这个函数条理很清楚
/*
* This IP datagram is too large to be sent in one piece. Break it up into
* smaller pieces (each of size equal to the MAC header plus IP header plus
* a block of the data of the original IP data part) that will yet fit in a
* single device frame, and queue such a frame for sending by calling the
* ip_queue_xmit(). Note that this is recursion, and bad things will happen
* if this function causes a loop...
*
* Yes this is inefficient, feel free to submit a quicker one.
*
* **Protocol Violation**
* We copy all the options to each fragment. !FIXME!
*/
void ip_fragment(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct device *dev, int is_frag)
{
struct iphdr *iph;
unsigned char *raw;
unsigned char *ptr;
struct sk_buff *skb2;
int left, mtu, hlen, len;
int offset;
unsigned long flags;
/*
* Point into the IP datagram header.
*/
raw = skb->data;//得到数据部分，如果你还没清楚skb与data表示什么的话，请自行面壁
iph = (struct iphdr *) (raw + dev->hard_header_len);//偏移mac首部就到了ip首部位置
skb->ip_hdr = iph;//指定ip首部
/*
* Setup starting values.
*/
//ip数据报由ip首部和数据负载部分组成，其中数据负载部分又有tcp首部和tcp有效负载组成
hlen = (iph->ihl * sizeof(unsigned long));//ip首部长度
left = ntohs(iph->tot_len) - hlen;//ip数据负载长度 /* Space per frame */
hlen += dev->hard_header_len;//加上mac首部长度，得到这两者的长度和 /* Total header size */
mtu = (dev->mtu - hlen);//mtu初始化为ip数据负载长度 /* Size of data space */
ptr = (raw + hlen); //指向ip负载数据开始位置 /* Where to start from */
/*
* Check for any "DF" flag. [DF means do not fragment]
*/
//检查发送端是否允许进行分片
if (ntohs(iph->frag_off) & IP_DF)//如果不允许
{
/*
* Reply giving the MTU of the failed hop.
*/
//返回一个ICMP错误
ip_statistics.IpFragFails++;
icmp_send(skb,ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_FRAG_NEEDED, dev->mtu, dev);
return;
}
/*
* The protocol doesn't seem to say what to do in the case that the
* frame + options doesn't fit the mtu. As it used to fall down dead
* in this case we were fortunate it didn't happen
*/
//如果ip数据负载长度<8，则无法为其创建分片
//规定，分片中数据长度必须是8的倍数
if(mtu<8)
{
/* It's wrong but it's better than nothing */
icmp_send(skb,ICMP_DEST_UNREACH,ICMP_FRAG_NEEDED,dev->mtu, dev);
ip_statistics.IpFragFails++;
return;
}
/*
* Fragment the datagram.
*/
/*
* The initial offset is 0 for a complete frame. When
* fragmenting fragments it's wherever this one starts.
*/
if (is_frag & 2)//表示被分片数据包本身是一个分片
offset = (ntohs(iph->frag_off) & 0x1fff) << 3;
else
offset = 0;
/*
* Keep copying data until we run out.
*/
//直到所有分片数据处理完
while(left > 0)
{
len = left;
/* IF: it doesn't fit, use 'mtu' - the data space left */
if (len > mtu)//如果这个数据还是大于mtu，表示不是最后一个分片，还要继续分片处理
len = mtu;
/* IF: we are not sending upto and including the packet end
then align the next start on an eight byte boundary */
if (len < left)
{
//得到小于mtu的最大的一个为8的倍数的数值，这个运算很有意思，值得借鉴一下
//可以看出分片的原则是每个分片在条件下尽量携带最多数据，这个条件就是不能大于mtu值，且必须是8的倍数
len/=8;
len*=8;
}
/*
* Allocate buffer.
*/
//分配一个skb_buff，注意这里分配的大小，hlen是ip首部大小，得加上ip首部
//这里可以看出，每个分片数据包还得加上ip首部，典型的1+1>2，相比不分片下降低了效率，
//但是这是不可避免的，必须增加火车头，不然不知道往哪开
if ((skb2 = alloc_skb(len + hlen,GFP_ATOMIC)) == NULL)
{
printk("IP: frag: no memory for new fragment!\n");
ip_statistics.IpFragFails++;
return;
}
/*
* Set up data on packet
*/
skb2->arp = skb->arp;//表示mac首部是否创建成功，
//参见ip_build_header函数，其内部调用了ip_send函数(eth_header)
if(skb->free==0)
printk("IP fragmenter: BUG free!=1 in fragmenter\n");
skb2->free = 1;//数据包无须缓存
skb2->len = len + hlen;//数据部分长度(分片大小+ip首部)
skb2->h.raw=(char *) skb2->data;//让skb2对应层的raw指向分片数据包的数据部分
/*
* Charge the memory for the fragment to any owner
* it might possess
*/
save_flags(flags);
if (sk)
{
cli();
sk->wmem_alloc += skb2->mem_len;//设置sk当前写缓冲大小为分片数据包的大小
skb2->sk=sk;//关联
}
restore_flags(flags);
skb2->raddr = skb->raddr;//数据包的下一站地址，所有分片数据包自然是原数据包是一个地址 /* For rebuild_header - must be here */
/*
* Copy the packet header into the new buffer.
*/
//把skb数据部分拷贝到raw指向的位置，这里拷贝的是首部(mac首部+ip首部)
//实际上raw和skb2->data是指向同一个地址
memcpy(skb2->h.raw, raw, hlen);
//raw随着层次变化，链路层=eth，ip层=iph
/*
* Copy a block of the IP datagram.
*/
//这里则是拷贝ip数据负载部分
memcpy(skb2->h.raw + hlen, ptr, len);
left -= len;//剩下未传送的数据大小
skb2->h.raw+=dev->hard_header_len;//raw位置定位到了ip首部
//一定要清楚skb_buff->data到了某一层的数据布局
/*
* Fill in the new header fields.
*/
//获取ip首部
iph = (struct iphdr *)(skb2->h.raw/*+dev->hard_header_len*/);
iph->frag_off = htons((offset >> 3));//片位移，offset在前面进行了设置
/*
* Added AC : If we are fragmenting a fragment thats not the
* last fragment then keep MF on each bit
*/
if (left > 0 || (is_frag & 1))//left>0，表示这不是最后一个分片，还有剩下数据包未发送
iph->frag_off |= htons(IP_MF);
//ip数据负载已经发送了len各大小的分片数据包，那么就要更新下一个分片数据包的位置，以便发送
ptr += len;//ip数据负载位置更新
offset += len;//偏移量更新，
/*
* Put this fragment into the sending queue.
*/
ip_statistics.IpFragCreates++;
ip_queue_xmit(sk, dev, skb2, 2);//发送数据包
//可以看出，发送一个数据包的过程就是，检查其大小是否小于mtu，否则需要进行分片，
//然后对分片进行发送，分片数据包自然是小于mtu，直到原来的大于mtu的数据包全部分片发送完
}
ip_statistics.IpFragOKs++;
}ip_fragment 函数条理很清晰，就是将大的拆分为小的，其拆分过程为，新建指定大小（小于MTU的是8的倍数的最大值）的分片数据包，然后将原大数据包中的数据负载截取前分片大小，再加上ip首部，每个分片数据包都要加上ip首部，这样降低效率的措施不得不采用。然后就是发送这个分片数据包，直到大数据包分片发送完成。
ip_queue_xmit 最后通过调用 dev_queue_xmit 函数将数据包发往链路层进行处理。
6、链路层——dev_queue_xmit 函数
/*
* Send (or queue for sending) a packet.
*
* IMPORTANT: When this is called to resend frames. The caller MUST
* already have locked the sk_buff. Apart from that we do the
* rest of the magic.
*/
//该函数本身负责将数据包传递给驱动程序，由驱动程序最终将数据发送到物理介质上。
/*
skb:被发送的数据包；dev:数据包发送网络接口设备；pri:网络接口设备忙时，缓存该数据包时使用的优先级
*/
void dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct device *dev, int pri)
{
unsigned long flags;
int nitcount;
struct packet_type *ptype;//用于网络层协议
int where = 0; /* used to say if the packet should go */
/* at the front or the back of the */
/* queue - front is a retransmit try */
if (dev == NULL)
{
printk("dev.c: dev_queue_xmit: dev = NULL\n");
return;
}
//加锁
if(pri>=0 && !skb_device_locked(skb))
skb_device_lock(skb); /* Shove a lock on the frame */
#ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING
save_flags(flags);//保存状态
cli();
//检查是否使用了主从设备的连接方式
//如果采用了这种方式，则发送数据包时，可在两个设备之间平均负载
if(dev->slave!=NULL && dev->slave->pkt_queue < dev->pkt_queue &&
(dev->slave->flags & IFF_UP))
dev=dev->slave;
restore_flags(flags);
#endif
#ifdef CONFIG_SKB_CHECK
IS_SKB(skb);//检查数据包的合法性
#endif
skb->dev = dev;//指向数据包发送设备对应结构
/*
* This just eliminates some race conditions, but not all...
*/
//检查以免造成竞争条件，事实上skb->next == NULL的
if (skb->next != NULL)
{
/*
* Make sure we haven't missed an interrupt.
*/
printk("dev_queue_xmit: worked around a missed interrupt\n");
start_bh_atomic();//原子操作，宏定义
dev->hard_start_xmit(NULL, dev);
end_bh_atomic();
return;
}
/*
* Negative priority is used to flag a frame that is being pulled from the
* queue front as a retransmit attempt. It therefore goes back on the queue
* start on a failure.
*/
//优先级为负数，表示当前处理的数据包是从硬件队列中取下的，而非上层传递的新数据包
if (pri < 0)
{
pri = -pri-1;
where = 1;
}
if (pri >= DEV_NUMBUFFS)
{
printk("bad priority in dev_queue_xmit.\n");
pri = 1;
}
/*
* If the address has not been resolved. Call the device header rebuilder.
* This can cover all protocols and technically not just ARP either.
*/
//arp标识是否完成链路层的硬件地址解析，如果没完成，则需要调用rebuild_header(eth_rebuild_header函数)
//完成链路层首部的创建工作
if (!skb->arp && dev->rebuild_header(skb->data, dev, skb->raddr, skb)) {
return;//这将启动arp地址解析过程，则数据包的发送则由arp协议模块负责，所以这里直接返回
}
save_flags(flags);
cli();
if (!where) {//where=1，表示这是从上层接受的新数据包
#ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING
skb->in_dev_queue=1;//标识该数据包缓存在设备队列中
#endif
skb_queue_tail(dev->buffs + pri,skb);//插入到设备缓存队列的尾部
skb_device_unlock(skb); /* Buffer is on the device queue and can be freed safely */
skb = skb_dequeue(dev->buffs + pri);//从设备缓存队列的首部读取数据包，这样取得的数据包可能不是我们之前插入的数据包
skb_device_lock(skb); /* New buffer needs locking down */
#ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING
skb->in_dev_queue=0;//该数据包当前不在缓存队列中
#endif
}
restore_flags(flags);//恢复状态
/* copy outgoing packets to any sniffer packet handlers */
//内核对混杂模式的支持。不明白...
if(!where)
{
for (nitcount= dev_nit, ptype = ptype_base; nitcount > 0 && ptype != NULL; ptype = ptype->next)
{
/* Never send packets back to the socket
* they originated from - MvS ([email protected])
*/
if (ptype->type == htons(ETH_P_ALL) &&
(ptype->dev == dev || !ptype->dev) &&
((struct sock *)ptype->data != skb->sk))
{
struct sk_buff *skb2;
if ((skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL)//复制一份数据包
break;
/*
* The protocol knows this has (for other paths) been taken off
* and adds it back.
*/
skb2->len-=skb->dev->hard_header_len;//长度
ptype->func(skb2, skb->dev, ptype);//协议处理函数
nitcount--;
}
}
}
start_bh_atomic();
//下面调用hard_start_xmit函数，前面skb->next不为NULL时，也调用这个函数，不过参数数据包skb是NULL
//驱动层发送数据包，关联到了具体的网络设备处理函数，将进入真实的网卡驱动(物理层)
//高版本的内核协议栈，还有虚拟设备，这个版本就是直接进入真实设备
if (dev->hard_start_xmit(skb, dev) == 0) {
end_bh_atomic();
/*
* Packet is now solely the responsibility of the driver
*/
return;
}
end_bh_atomic();
/*
* Transmission failed, put skb back into a list. Once on the list it's safe and
* no longer device locked (it can be freed safely from the device queue)
*/
cli();
#ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING
skb->in_dev_queue=1;//如果使用主从设备，就缓存在队列中
dev->pkt_queue++;//该设备缓存的待发送数据包个数加1
#endif
skb_device_unlock(skb);
skb_queue_head(dev->buffs + pri,skb);//把数据包插入到数据包队列头中
restore_flags(flags);
}
7、物理层
物理层则牵扯到具体的网络接口硬件设备了，实则是一个网络驱动程序。不同的网卡其驱动程序有所不同，这跟硬件的时序，延迟等有关。
关于驱动，这里我们就不介绍了。
这部分介绍的就是数据包的发送过程，从网络层到最底层的网卡驱动。下篇将介绍数据包的接收过程。
connect 函数可真是渗透到网络栈的各个层啊，connect 函数是客户端向服务器端发出连接请求数据包，该数据包需要最终到达服务器端处理，自然要从客户端从上至下经过应用层、传输层、网络层、链路层、硬件接口到达对端（对端接收则是反过来从下往上）。所以通信双方进行数据传输的函数都要经过这些网络协议栈。
从侧面可看出，内核网络协议栈的设计体现了高内聚，低耦合的原则，各层之间只提供接口函数，协议栈某一层的改动，不需要取改动其余层，保持接口的一致性就可以了，面对日益复杂的网络栈，这种设计风格无疑很有利于维护和升级。
另外中间协议各层还有一些牵扯到的操作函数，会在后面一一介绍。