Linux内核分析 - 网络[四]：路由表

路由表

    在内核中存在路由表fib_table_hash和路由缓存表rt_hash_table。路由缓存表主要是为了加速路由的查找，每次路由查询都会先查找路由缓存，再查找路由表。这和cache是一个道理，缓存存储最近使用过的路由项，容量小，查找快速；路由表存储所有路由项，容量大，查找慢。

首先，应该先了解路由表的意义，下面是route命令查看到的路由表：

Destination	Netmask	Gateway	Flags	Interface	Metric
169.254.0.0	255.255.0.0	*	U	eth0	1
192.168.123.0	255.255.255.0	*	U	eth0	1
default	0.0.0.0	192.168.123.254	UG	eth0	1

    一条路由其实就是告知主机要到达一个目的地址，下一跳应该走哪里。比如发往192.168.22.3报文通过查路由表，会得到下一跳为192.168.123.254，再将其发送出去。在路由表项中，还有一个很重要的属性-scope，它代表了到目的网络的距离。

    路由scope可取值：RT_SCOPE_UNIVERSE, RT_SCOPE_LINK, RT_SCOPE_HOST

    在报文的转发过程中，显然是每次转发都要使到达目的网络的距离要越来越小或不变，否则根本到达不了目的网络。上面提到的scope很好的实现这个功能，在查找路由表中，表项的scope一定是更小或相等的scope(比如RT_SCOPE_LINK，则表项scope只能为RT_SCOPE_LINK或RT_SCOPE_HOST)。

 

路由缓存

    路由缓存用于加速路由的查找，当收到报文或发送报文时，首先会查询路由缓存，在内核中被组织成hash表，就是rt_hash_table。

static struct rt_hash_bucket          *rt_hash_table __read_mostly;      [net/ipv4/route.c]

通过ip_route_input()进行查询，首先是缓存操作时，通过[src_ip, dst_ip, iif,rt_genid]计算出hash值

hash = rt_hash(daddr, saddr, iif, rt_genid(net));

此时rt_hash_table[hash].chain就是要操作的缓存表项的链表，比如遍历该链表

for (rth = rt_hash_table[hash].chain; rth; rth = rth->u.dst.rt_next)

因此，在缓存中查找一个表项，首先计算出hash值，取出这组表项，然后遍历链表，找出指定的表项，这里需要完全匹配[src_ip, dst_ip, iif, tos, mark, net]，实际上struct rtable中有专门的属性用于缓存的查找键值 – struct flowi。

/* Cache lookup keys */

struct flowi                fl;

当找到表项后会更新表项的最后访问时间，并取出dst

dst_use(&rth->u.dst, jiffies);

skb_dst_set(skb, &rth->u.dst);

 

路由缓存的创建

inet_init() -> ip_init() -> ip_rt_init()

rt_hash_table = (struct rt_hash_bucket *)

         alloc_large_system_hash("IP route cache",

                                     sizeof(struct rt_hash_bucket),

                                     rhash_entries,

                                     (totalram_pages >= 128 * 1024) ?

                                      15 : 17,

                                     0,

                                     &rt_hash_log,

                                     &rt_hash_mask,

                                      rhash_entries ? 0 : 512 * 1024);

其中rt_hash_mask表示表的大小，rt_hash_log = log(rt_hash_mask)，创建后的结构如图所示：

 

 

路由缓存插入条目

函数rt_intern_hash()

要插入的条目是rt，相应散列值是hash，首先通过hash值找到对应的bucket

rthp = &rt_hash_table[hash].chain;

然后对bucket进行一遍查询，这次查询的目的有两个：如果是超时的条目，则直接删除；如果是与rt相同键值的条目，则删除并将rt插入头部返回。

while ((rth = *rthp) != NULL) {

         if (rt_is_expired(rth)) {     // 超时的条目

                   *rthp = rth->u.dst.rt_next;

                   rt_free(rth);

                   continue;

         }

         if (compare_keys(&rth->fl, &rt->fl) && compare_netns(rth, rt)) { //重复的条目

                   *rthp = rth->u.dst.rt_next;

                   rcu_assign_pointer(rth->u.dst.rt_next, rt_hash_table[hash].chain);

                   rcu_assign_pointer(rt_hash_table[hash].chain, rth);

                   ……

         }

         ……

         rthp = &rth->u.dst.rt_next;

}

在扫描一遍后，如rt还未存在，则将其插入头部

rt->u.dst.rt_next = rt_hash_table[hash].chain;

rcu_assign_pointer(rt_hash_table[hash].chain, rt);

如果新插入rt满足一定条件，还要与ARP邻居表进行绑定

Hint：缓存的每个bucket是没有头结点的，单向链表，它所使用的插入和删除操作是值得学习的，简单实用。

 

路由缓存删除条目

rt_del()

要删除的条目是rt，相应散列值是hash，首先通过hash值找到对应的bucket，然后遍历，如果条目超时，或找到rt，则删除它。

rthp = &rt_hash_table[hash].chain;

spin_lock_bh(rt_hash_lock_addr(hash));

ip_rt_put(rt);

while ((aux = *rthp) != NULL) {

         if (aux == rt || rt_is_expired(aux)) {

                   *rthp = aux->u.dst.rt_next;

                   rt_free(aux);

                   continue;

         }

         rthp = &aux->u.dst.rt_next;

}

spin_unlock_bh(rt_hash_lock_addr(hash));

 

 

路由表的创建

inet_init() -> ip_init() -> ip_fib_init() -> fib_net_init() -> ip_fib_net_init()[net/ipv4/fib_frontend.c]

首先为路由表分配空间，这里的每个表项hlist_head实际都会链接一个单独的路由表，FIB_TABLE_HASHSZ表示了分配多少个路由表，一般情况下至少有两个 –　LOCAL和MAIN。注意这里仅仅是表头的空间分配，还没有真正分配路由表空间。

net->ipv4.fib_table_hash = kzalloc(

         sizeof(struct hlist_head)*FIB_TABLE_HASHSZ, GFP_KERNEL);

 

ip_fib_net_init() -> fib4_rules_init()，这里真正分配了路由表空间

local_table = fib_hash_table(RT_TABLE_LOCAL);

main_table  = fib_hash_table(RT_TABLE_MAIN);

然后将local和main表链入之前的fib_table_hash中

hlist_add_head_rcu(&local_table->tb_hlist,

                   &net->ipv4.fib_table_hash[TABLE_LOCAL_INDEX]);

hlist_add_head_rcu(&main_table->tb_hlist,

                   &net->ipv4.fib_table_hash[TABLE_MAIN_INDEX]);

 

最终生成结构如图，LOCAL表位于fib_table_hash[0]，MAIN表位于fib_table_hash[1]；两张表通过结构tb_hlist链入链表，而tb_id则标识了功能，255是LOCAL表，254是MAIN表。

 

关于这里的struct fn_hash，它表示了不同子网掩码长度的hash表[即fn_zone]，对于ipv4，从0~32共33个。而fn_hash的实现则是fib_table的最后一个参数unsigned char tb_data[0]。

 

 

注意到这里fn_zone还只是空指针，我们还只完成了路由表初始化的一部分。在启动阶段还会调用inet_rtm_newroute() -> fib_table_insert() -> fn_new_zone() [fib_hash.c]来创建fn_zone结构，前面已经讲过，fn_zone一共有33个，其中掩码长度为0[/0]表示为默认路由，fn_zone可以理解为相同掩码的地址集合。

首先为fn_zone分配空间

struct fn_zone *fz = kzalloc(sizeof(struct fn_zone), GFP_KERNEL);

传入参数z代表掩码长度， z = 0的掩码用于默认路由，一般只有一个，所以fz_divisor只需设为1；其它设为16；这里要提到fz_divisor的作用，fz->fz_hash并不是个单链表，而是一个哈希表，而哈希表的大小就是fz_divisor。

if (z) {

         fz->fz_divisor = 16;

} else {

         fz->fz_divisor = 1;

}

fz_hashmask实际是用于求余数的，当算出hash值，再hash & fz_hashmask就得出了在哈希表的位置；而fz_hash就是下一层的哈希表了，前面已经提过路由表被多组分层了，这里fz_hash就是根据fz_divisor大小来创建的；fz_order就是子网掩码长度；fz_mask就是子网掩码。

fz->fz_hashmask = (fz->fz_divisor - 1);

fz->fz_hash = fz_hash_alloc(fz->fz_divisor);

fz->fz_order = z;

fz->fz_mask = inet_make_mask(z);

 

从子网长度大于新添加fz的fn_zone中挑选一个不为空的fn_zones[i]，将新创建的fz设成fn_zones[i].next；然后将fz根据掩码长度添加到fn_zones[]中相应位置；fn_zone_list始终指向掩码长度最长的fn_zone。

for (i=z+1; i<=32; i++)

         if (table->fn_zones[i])

                   break;

if (i>32) {

         fz->fz_next = table->fn_zone_list;

         table->fn_zone_list = fz;

} else {

         fz->fz_next = table->fn_zones[i]->fz_next;

         table->fn_zones[i]->fz_next = fz;

}

table->fn_zones[z] = fz;

这里的fn_hash是数组与链表的结合体，看下fn_hash定义

struct fn_hash {

         struct fn_zone *fn_zones[33];

         struct fn_zone *fn_zone_list;

};

fn_hash包含33数组元素，每个元素存放一定掩码长度的fn_zone，其中fn_zone[i]存储掩码长度为i。而fn_zone通过内部属性fz_next又彼此串连起来，形成单向链表，其中fn_zone_list可以看作链表头，而这里链表的组织顺序是倒序的，即从掩码长到短。

 

 

到这里，fz_hash所分配的哈希表还没有插入内容，这部分为fib_insert_node()完成。

inet_rtm_newroute() -> fib_table_insert() -> fib_insert_node() [net/ipv4/fib_hash.c]

这里f是fib_node，可以理解为具有相同网络地址的路由项集合。根据fn_key(网络地址)和fz(掩码长度)来计算hash值，决定将f插入fz_hash的哪个项。

struct hlist_head *head = &fz->fz_hash[fn_hash(f->fn_key, fz)];

hlist_add_head(&f->fn_hash, head);

}

 

如何fib_node还不存在，则会创建它，这里的kmem_cache_zalloc()其实就是内存分配

new_f = kmem_cache_zalloc(fn_hash_kmem, GFP_KERNEL);

if (new_f == NULL)

         goto out;

INIT_HLIST_NODE(&new_f->fn_hash);

INIT_LIST_HEAD(&new_f->fn_alias);

new_f->fn_key = key;

f = new_f;

 

路由表最后一层是fib_info，具体的路由信息都存储在此，它由fib_create_info()创建。

首先为fib_info分配空间，由于fib_info的最后一个属性是struct fib_nh fib_nh[0]，因此大小是fib_info + nhs * fib_nh，这里的fib_nh代表了下一跳(next hop)的信息，nhs代表了下一跳的数目，一般情况下nhs=1，除非配置了支持多路径。

fi = kzalloc(sizeof(*fi)+nhs*sizeof(struct fib_nh), GFP_KERNEL);

设置fi的相关属性

fi->fib_net = hold_net(net);

fi->fib_protocol = cfg->fc_protocol;

fi->fib_flags = cfg->fc_flags;

fi->fib_priority = cfg->fc_priority;

fi->fib_prefsrc = cfg->fc_prefsrc;

fi->fib_nhs = nhs;

使fi后面所有的nh->nh_parent指向fi，设置后如图所示

change_nexthops(fi) {

         nexthop_nh->nh_parent = fi;

} endfor_nexthops(fi)

 

 

设置fib_nh的属性，这里仅展示了单一路径的情况：

struct fib_nh *nh = fi->fib_nh;

nh->nh_oif = cfg->fc_oif;

nh->nh_gw = cfg->fc_gw;

nh->nh_flags = cfg->fc_flags;

然后，再根据cfg->fc_scope值来设置nh的其余属性。如果scope是RT_SCOPE_HOST，则设置下一跳scope为RT_SCOPE_NOWHERE

if (cfg->fc_scope == RT_SCOPE_HOST) {

         struct fib_nh *nh = fi->fib_nh;

         nh->nh_scope = RT_SCOPE_NOWHERE;

         nh->nh_dev = dev_get_by_index(net, fi->fib_nh->nh_oif);

}

如果scope是RT_SCOPE_LINK或RT_SCOPE_UNIVERSE，则设置下跳

change_nexthops(fi) {

         if ((err = fib_check_nh(cfg, fi, nexthop_nh)) != 0)

                   goto failure;

} endfor_nexthops(fi)

最后，将fi链入链表中，这里要注意的是所有的fib_info(只要创建了的)都会加入fib_info_hash中，如果路由项使用了优先地址属性，还会加入fib_info_laddrhash中。

hlist_add_head(&fi->fib_hash,

                         &fib_info_hash[fib_info_hashfn(fi)]);

if (fi->fib_prefsrc) {

         struct hlist_head *head;

         head = &fib_info_laddrhash[fib_laddr_hashfn(fi->fib_prefsrc)];

         hlist_add_head(&fi->fib_lhash, head);

}

无论fib_info在路由表中位于哪个掩码、哪个网段结构下，都与fib_info_hash和fib_info_laddrhash无关，这两个哈希表与路由表独立，主要是用于加速路由信息fib_info的查找。哈希表的大小为fib_hash_size，当超过这个限制时，fib_hash_size * 2(如果哈希函数够好，每个bucket都有一个fib_info)。fib_info在哈希表的图示如下：

 

 

由于路由表信息也可能要以设备dev为键值搜索，因此还存在fib_info_devhash哈希表，用于存储nh的设置dev->ifindex。

change_nexthops(fi) {

         hash = fib_devindex_hashfn(nexthop_nh->nh_dev->ifindex);

         head = &fib_info_devhash[hash];

         hlist_add_head(&nexthop_nh->nh_hash, head);

} endfor_nexthops(fi)

 

 

 

上面讲过了路由表各个部分的创建，现在来看下它们是如何一起工作的，在fib_table_insert()[net/ipv4/fib_hash.c]完成整个的路由表创建过程。下面来看下fib_table_insert()函数：

从fn_zones中取出掩码长度为fc_dst_len的项，如果该项不存在，则创建它[fn_zone的创建前面已经讲过]。

fz = table->fn_zones[cfg->fc_dst_len];

if (!fz && !(fz = fn_new_zone(table, cfg->fc_dst_len)))

         return -ENOBUFS;

然后创建fib_info结构，[前面已经讲过]

fi = fib_create_info(cfg);

然后在掩码长度相同项里查找指定网络地址key(如145.222.33.0/24)，查找的结果如图所示

f = fib_find_node(fz, key);

 

 

如果不存在该网络地址项，则创建相应的fib_node，并加入到链表fz_hash中

if (!f) {

         new_f = kmem_cache_zalloc(fn_hash_kmem, GFP_KERNEL);

         if (new_f == NULL)

                  goto out;

 

         INIT_HLIST_NODE(&new_f->fn_hash);

         INIT_LIST_HEAD(&new_f->fn_alias);

         new_f->fn_key = key;

         f = new_f;

}

……

fib_insert_node(fz, new_f);

 

如果存在该网络地址项，则在fib_node的属性fn_alias中以tos和fi->fib_priority作为键值查找。一个fib_node可以有多个fib_alias相对应，这些fib_alias以链表形式存在，并按tos并从大到小的顺序排列。因此，fib_find_alias查找到的是第一个fib_alias->tos不大于tos的fib_alias项。

fa = fib_find_alias(&f->fn_alias, tos, fi->fib_priority);

如果查找到的fa与与要插入的路由项完全相同，则按照设置的标置位进行操作，NLM_F_REPLACE则替换掉旧的，NLM_F_APPEND添加在后面。

设置要插入的fib_alias的属性，包括最重要的fib_alias->fa_info设置为fi

new_fa->fa_info = fi;

new_fa->fa_tos = tos;

new_fa->fa_type = cfg->fc_type;

new_fa->fa_scope = cfg->fc_scope;

new_fa->fa_state = 0;

如果没有要插入路由的网络地址项fib_node，则之前已经创建了新的，现在将它插入到路由表中fib_insert_node()；然后将new_fa链入到fib_node->fn_alias中

if (new_f)

         fib_insert_node(fz, new_f);

list_add_tail(&new_fa->fa_list,

         (fa ? &fa->fa_list : &f->fn_alias));

最后，由于新插入的路由表项，会发出通告，告知所以加入RTNLGRP_IPV4_ROUTE组的成员，这个功能可以在linux中使用”ip route monitor”来测试。最终的路由表如图所示：

rtmsg_fib(RTM_NEWROUTE, key, new_fa, cfg->fc_dst_len, tb->tb_id, &cfg->fc_nlinfo, 0);

 

 

 

至此，就完成了路由表项的插入，加上之前的路由表的初始化，整个路由表的创建过程就讲解完了，小小总结一下：

路由表的查找效率是第一位的，因此内核在实现时使用了多级索引来进行加速

第一级：fn_zone　按不同掩码长度分类(如/5和/24)

第二级：fib_node  按不同网络地址分类(如124.44.33.0/24)

第三级：fib_info     下一跳路由信息