Linux内核分析 - 网络[八]：IP协议

内核版本：2.6.34
这篇是关于IP层协议接收报文时的处理，重点说明了路由表的查找，以及IP分片重组。

ip_rcv进入IP层报文接收函数
      丢弃掉不是发往本机的报文，skb->pkt_type在网卡接收报文处理以太网头时会根据dst mac设置，协议栈的书会讲不是发往本机的广播报文会在二层被丢弃，实际上丢弃是发生在进入上层之初。

if (skb->pkt_type == PACKET_OTHERHOST)
 goto drop;

      在取IP报头时要注意可能带有选项，因此报文长度应当以iph->ihl * 4为准。这里就需要尝试两次，第一次尝试sizeof(struct iphdr)，只是为了确保skb还可以容纳标准的报头(即20字节)，然后可以ip_hdr(skb)得到报头；第二次尝试ihl * 4，这才是报文的真正长度，然后重新调用ip_hdr(skb)来得到报头。两次尝试pull后要重新调用ip_hdr()的原因是pskb_may_pull()可能会调用__pskb_pull_tail()来改现现有的skb结构。

if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(struct iphdr)))
 goto inhdr_error;
iph = ip_hdr(skb);
……
if (!pskb_may_pull(skb, iph->ihl*4))
 goto inhdr_error;
iph = ip_hdr(skb);

      获取到IP报头后经过一些检查，获取到报文的总长度len = iph->tot_len，此时调用pskb_trim_rcsum()去除多余的字节，即大于len的。

if (pskb_trim_rcsum(skb, len)) {
 IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INDISCARDS);
 goto drop;
}

      然后调用ip_rcv_finish()继续IP层的处理，ip_rcv()可以看成是查找路由前的IP层处理，接下来的ip_rcv_finish()会查找路由表，两者间调用插入的netfilter(关于NetFilter，参考前篇http://blog.csdn.net/qy532846454/article/details/6605592)。

return NF_HOOK(PF_INET, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL, ip_rcv_finish);

进入ip_rcv_finish函数
      ip_rcv_finish()主要工作是完成路由表的查询，决定报文经过IP层处理后，是继续向上传递，还是进行转发，还是丢弃。
刚开始没有进行路由表查询，所以还没有相应的路由表项：skb_dst(skb) == NULL。则在路由表中查找ip_route_input()，关于内核的路由表，可以参见前篇http://blog.csdn.net/qy532846454/article/details/6726171：

if (skb_dst(skb) == NULL) {
 int err = ip_route_input(skb, iph->daddr, iph->saddr, iph->tos,
     skb->dev);
 if (unlikely(err)) {
  if (err == -EHOSTUNREACH)
   IP_INC_STATS_BH(dev_net(skb->dev),
     IPSTATS_MIB_INADDRERRORS);
  else if (err == -ENETUNREACH)
   IP_INC_STATS_BH(dev_net(skb->dev),
     IPSTATS_MIB_INNOROUTES);
  goto drop;
 }
}

      通过路由表查找，我们知道：
         -　如果是丢弃的报文，则直接drop；
         -　如果是不能接收或转发的报文，则input = ip_error
         -　如果是发往本机报文，则input = ip_local_deliver；
         -　如果是广播报文，则input = ip_local_deliver；
         -　如果是组播报文，则input = ip_local_deliver；
         -　如果是转发的报文，则input = ip_forward；
      在ip_rcv_finish()最后，会调用查找到的路由项_skb_dst->input()继续向上传递：

return dst_input(skb);

      具体看下各种情况下的报文传递，如果是丢弃的报文，则报文被释放，并从IP协议层返回，完成此次报文传递流程。

drop:
 kfree_skb(skb);
 return NET_RX_DROP;

      如果是不能处理的报文，则执行ip_error，根据error类型发送相应的ICMP错误报文。

static int ip_error(struct sk_buff *skb)
{
 struct rtable *rt = skb_rtable(skb);
 unsigned long now;
 int code;

 switch (rt->u.dst.error) {
  case EINVAL:
  default:
   goto out;
  case EHOSTUNREACH:
   code = ICMP_HOST_UNREACH;
   break;
  case ENETUNREACH:
   code = ICMP_NET_UNREACH;
   IP_INC_STATS_BH(dev_net(rt->u.dst.dev),
     IPSTATS_MIB_INNOROUTES);
   break;
  case EACCES:
   code = ICMP_PKT_FILTERED;
   break;
 }

 now = jiffies;
 rt->u.dst.rate_tokens += now - rt->u.dst.rate_last;
 if (rt->u.dst.rate_tokens > ip_rt_error_burst)
  rt->u.dst.rate_tokens = ip_rt_error_burst;
 rt->u.dst.rate_last = now;
 if (rt->u.dst.rate_tokens >= ip_rt_error_cost) {
  rt->u.dst.rate_tokens -= ip_rt_error_cost;
  icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, code, 0);
 }

out: kfree_skb(skb);
 return 0;
}

      如果是主机可以接收报文，则执行ip_local_deliver。ip_local_deliver在向上传递前，会对分片的IP报文进行组包，因为IP层协议会对过大的数据包分片，在接收时，就要进行重组，而重组的操作就是在这里进行的。IP报头的16位偏移字段frag_off是由3位的标志(CE,DF,MF)和13的偏移量组成。如果收到了分片的IP报文，如果是最后一片，则MF=0且offset!=0；如果不是最后一片，则MF=1。
      在这种情况下会执行ip_defrag来处理分片的IP报文，如果不是最后一片，则将该报文添加到ip4_frags中保留下来，并return 0，此次数据包接收完成；如果是最后一片，则取出之前收到的分片重组成新的skb，此时ip_defrag返回值为0，skb被重置为完整的数据包，然后继续处理，之后调用ip_local_deliver_finish处理重组后的数据包。

if (ip_hdr(skb)->frag_off & htons(IP_MF | IP_OFFSET)) {
 if (ip_defrag(skb, IP_DEFRAG_LOCAL_DELIVER))
  return 0;
}

      下面来看下ip_defrag()函数，主体就是下面的代码段。它首先用ip_find()查找IP分片，并返回(如果没有则创建)，然后用ip_frag_queue()将新分片加入，关于IP分片的处理，在后面的IP分片中有详细描述。

if ((qp = ip_find(net, ip_hdr(skb), user)) != NULL) {
 int ret;

 spin_lock(&qp->q.lock);

 ret = ip_frag_queue(qp, skb);

 spin_unlock(&qp->q.lock);
 ipq_put(qp);
 return ret;
}

      然后会调用ip_local_deliver_finish()完成IP协议层的传递，两者调用间依然有netfilter，这是查找完路由表继续向上传递的中间点。

NF_HOOK(PF_INET, NF_INET_LOCAL_IN, skb, skb->dev, NULL, ip_local_deliver_finish);

      在ip_local_deliver_finish()中会完成IP协议层处理，再交由上层协议模块处理：ICMP、IGMP、UDP、TCP。在ip_local_deliver_finish函数中，由于IP报头已经处理完，剔除IP报头，并设置skb->transport_header指向传输层协议报头位置。

__skb_pull(skb, ip_hdrlen(skb));
skb_reset_transport_header(skb);

      protocol是IP报头中的的上层协议号，以它在inet_protos哈希表中查找处理protocol的协议模块，取出得到ipprot。

hash = protocol & (MAX_INET_PROTOS - 1);
ipprot = rcu_dereference(inet_protos[hash]);

      而关于inet_protos，它的数据结构是哈希表，用来存储IP层上的协议，包括传输层协议和3.5层协议，它在IP协议模块加载时被添加。

 if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
  printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add ICMP protocol\n");
 if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
  printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add UDP protocol\n");
 if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
  printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add TCP protocol\n");
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
 if (inet_add_protocol(&igmp_protocol, IPPROTO_IGMP) < 0)
  printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add IGMP protocol\n");
#endif

      然后通过调用handler交由上层协议处理，至此，IP层协议处理完成。

ret = ipprot->handler(skb);

IP分片
      在收到IP分片时，会暂时存储到一个哈希表ip4_frags中，它在IP协议模块加载时初始化，inet_init() -> ipfrag_init()。要留意的是ip4_frag_match用于匹配IP分片是否属于同一个报文；ip_expire用于在IP分片超时时进行处理。

void __init ipfrag_init(void)
{
 ip4_frags_ctl_register();
 register_pernet_subsys(&ip4_frags_ops);
 ip4_frags.hashfn = ip4_hashfn;
 ip4_frags.constructor = ip4_frag_init;
 ip4_frags.destructor = ip4_frag_free;
 ip4_frags.skb_free = NULL;
 ip4_frags.qsize = sizeof(struct ipq);
 ip4_frags.match = ip4_frag_match;
 ip4_frags.frag_expire = ip_expire;
 ip4_frags.secret_interval = 10 * 60 * HZ;
 inet_frags_init(&ip4_frags);
}

      当收到一个IP分片，首先用ip_find()查找IP分片，实际上就是从ip4_frag表中取出相应项。这里的哈希值是由IP报头的(标识，源IP，目的IP，协议号)得到的。

hash = ipqhashfn(iph->id, iph->saddr, iph->daddr, iph->protocol);
q = inet_frag_find(&net->ipv4.frags, &ip4_frags, &arg, hash);

inet_frag_find实现直正的查找
      根据hash值取得ip4_frag->hash[hash]项 – inet_frag_queue，它是一个队列，然后遍历该队列，当net, id, saddr, daddr, protocol, user相匹配时，就是要找的IP分片。如果没有匹配的，则调用inet_frag_create创建它。

struct inet_frag_queue *inet_frag_find(struct netns_frags *nf,
  struct inet_frags *f, void *key, unsigned int hash)
 __releases(&f->lock)
{
 struct inet_frag_queue *q;
 struct hlist_node *n;

 hlist_for_each_entry(q, n, &f->hash[hash], list) {
  if (q->net == nf && f->match(q, key)) {
   atomic_inc(&q->refcnt);
   read_unlock(&f->lock);
   return q;
  }
 }
 read_unlock(&f->lock);

 return inet_frag_create(nf, f, key);
}

inet_frag_create创建一个IP分片队列ipq，并插入相应队列中。
      首先分配空间，真正分配空间的是inet_frag_alloc中的q = kzalloc(f->qsize, GFP_ATOMIC)；其中f->qsize = sizeof(struct ipq)，也就是说分配了ipq大小空间，但返回的却是struct inet_frag_queue q结构，原因在于inet_frag_queue是ipq的首个属性，它们两者的联系如下图。 

static struct inet_frag_queue *inet_frag_create(struct netns_frags *nf,
  struct inet_frags *f, void *arg)
{
 struct inet_frag_queue *q;

 q = inet_frag_alloc(nf, f, arg);
 if (q == NULL)
  return NULL;

 return inet_frag_intern(nf, q, f, arg);
}

      在分配并初始化空间后，由inet_frag_intern完成插入动作，首先还是根据(标识，源IP，目的IP，协议号)先成hash值，这里的qp_in即之前的q。

hash = f->hashfn(qp_in);

      然后新创建的队列qp(即上面的qp_in)插入到hash表(即ip4_frags->hash)和net->ipv4.frags中，并增加队列qp的引用计数，net中的队列nqueues统计数。至此，IP分片的创建过程完成。

atomic_inc(&qp->refcnt);
hlist_add_head(&qp->list, &f->hash[hash]);
list_add_tail(&qp->lru_list, &nf->lru_list);
nf->nqueues++;

ip_frag_queue实现将IP分片加入队列中
      首先获取该IP分片偏移位置offset，和IP分片偏移结束位置end，其中skb->len – ihl表示IP分片的报文长度，三者间关系即为end = offset + skb->len – ihl。

offset = ntohs(ip_hdr(skb)->frag_off);
flags = offset & ~IP_OFFSET;
offset &= IP_OFFSET;
offset <<= 3;  /* offset is in 8-byte chunks */
ihl = ip_hdrlen(skb);
/* Determine the position of this fragment. */
end = offset + skb->len - ihl;

      如果该IP分片是最后一片(MF=0,offset!=0)，即设置q.last_iin |= INET_FRAG_LAST_IN，表示收到了最后一个分片，qp->q.len = end，此时q.len是整个IP报文的总长度。

if ((flags & IP_MF) == 0) {
 if (end < qp->q.len ||
     ((qp->q.last_in & INET_FRAG_LAST_IN) && end != qp->q.len))
  goto err;
 qp->q.last_in |= INET_FRAG_LAST_IN;
 qp->q.len = end;
}

      如果该IP分片不是最后一片(MF=1)，当end不是8字节倍数时，通过end &= ~7处理为8字节整数倍(但此时会忽略掉多出的字节，如end=14 => end=8)；然后如果该分片更靠后，则q.len = end。

else {
 if (end&7) {
  end &= ~7;
  if (skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
   skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
 }
 if (end > qp->q.len) {
  /* Some bits beyond end -> corruption. */
  if (qp->q.last_in & INET_FRAG_LAST_IN)
   goto err;
  qp->q.len = end;
 }
}

      查找q.fragments链表，找到该IP分片要插入的位置，这里的q.fragments就是struct sk_buff类型，即各个IP分片skb都会插入到该链表中，插入的位置按偏移顺序由小到大排列，prev表示插入的前一个IP分片，next表示插入的后一个IP分片。

prev = NULL;
for (next = qp->q.fragments; next != NULL; next = next->next) {
 if (FRAG_CB(next)->offset >= offset)
  break; /* bingo! */
 prev = next;
}

      然后将skb插入到链表中，要注意fragments为空和不为空的情形，在下图中给出。

skb->next = next;
if (prev)
 prev->next = skb;
else
 qp->q.fragments = skb;

      增加q.meat计数，表示已收到的IP分片的总长度；如果offset为0，则表明是第一个IP分片，设置q.last_in |= INET_FRAG_FIRST_IN。

qp->q.meat += skb->len;
if (offset == 0)
 qp->q.last_in |= INET_FRAG_FIRST_IN;

      最后当满足一定条件时，进行IP重组。当收到了第一个和最后一个IP分片，且收到的IP分片的最大长度等于收到的IP分片的总长度时，表明所有的IP分片已收集齐，调用ip_frag_reasm重组包。具体的，当收到第一个分片(offset=0且MF=1)时设置q.last_in |= INET_FRAG_FIRST_IN；当收到最后一个分片(offset != 0且MF=0)时设置q.last_in |= INET_FRAG_LAST_IN。meat和len的区别在于，IP是不可靠传输，到达的IP分片不能保证顺序，而meat表示到达IP分片的总长度，len表示到达的IP分片中偏移最大的长度。所以当满足上述条件时，IP分片一定是收集齐了的。

if (qp->q.last_in == (INET_FRAG_FIRST_IN | INET_FRAG_LAST_IN) && qp->q.meat == qp->q.len)
 return ip_frag_reasm(qp, prev, dev);

      以下图为例，原始IP报文分成了4片发送，假设收到了1, 3, 4分片，则此时q.last_in = INET_FRGA_FIRST_IN | INET_FRAG_LAST_IN，q.meat = 30，q.len = 50。表明还未收齐IP分片，等待IP分片2的到来。 

      这里还有一些特殊情况需要处理，它们可能是重新分片或传输时错误造成的，那就是IP分片互相间有重叠。为了避免这种情况发生，在插入IP分片前会处理掉这些重叠。
      第一种重叠是与前个分片重叠，即该分片的的偏移是从前个分片的范围内开始的，这种情况下i表示重叠部分的大小，offset+=i则将该分片偏移后移i个长度，从而与前个分片隔开，而且减少len，pskb_pull(skb, i)，见下图图示。

if (prev) {
 int i = (FRAG_CB(prev)->offset + prev->len) - offset;

 if (i > 0) {
  offset += i;
  err = -EINVAL;
  if (end <= offset)
   goto err;
  err = -ENOMEM;
  if (!pskb_pull(skb, i))
   goto err;
  if (skb->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
   skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
 }
}

      第二种重叠是与后个分片重叠，即该分片的的结束位置在后个分片的范围内，这种情况下i表示重叠部分的大小。后片重叠稍微复杂点，被i重叠的部分都要删除掉，如果i比较大，超过了分片长度，则整个分片都被覆盖，从q.fragments链表中删除。使用while处理i覆盖多个分片的情况。  

while (next && FRAG_CB(next)->offset < end)

    当整个分片被覆盖掉，从q.fragments中删除，并且由于减少了分片总长度，所以q.meat要减去删除分片的长度。

else {
 struct sk_buff *free_it = next;
 next = next->next;
 if (prev)
  prev->next = next;
 else
  qp->q.fragments = next;
 qp->q.meat -= free_it->len;
 frag_kfree_skb(qp->q.net, free_it, NULL);
} 

      当只覆盖分片一部分时，offset+=i则将后个分片偏移后移i个长度，从而与该分片隔开，同时这样相当于减少了IP分片的长度，所以q.meat -= i；见下图图示，

if (i < next->len) {
 if (!pskb_pull(next, i))
  goto err;
 FRAG_CB(next)->offset += i;
 qp->q.meat -= i;
 if (next->ip_summed != CHECKSUM_UNNECESSARY)
  next->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
 break;
}  

ip_frag_reasm函数实现IP分片的重组
      ip_frag_reasm传入的参数是prev，而重组完成后ip_defrag会将skb替换成重组后的新的skb，而在之前的操作中，skb插入了qp->q.fragments中，并且prev->next即为skb，因此第一步就是让skb变成qp->q.fragments，即IP分片的头部。

if (prev) {
 head = prev->next;
 fp = skb_clone(head, GFP_ATOMIC);
 if (!fp)
  goto out_nomem;
 fp->next = head->next;
 prev->next = fp;

 skb_morph(head, qp->q.fragments);
 head->next = qp->q.fragments->next;
 kfree_skb(qp->q.fragments);
 qp->q.fragments = head;
}

      下面图示说明了上面代码段作用，skb是IP分片3，通过skb_clone拷贝一份3_copy替代之前的分片3，再通过skb_morph拷贝q.fragments到原始IP分片3，替代分片1，并释放分片1： 

      获取IP报头长度ihlen，head就是ip_defrag传入参数中的skb，并且它已经成为了IP分片队列的头部；len为整个IP报头+报文的总长度，qp->q.len是未分片前IP报文的长度。

ihlen = ip_hdrlen(head);
len = ihlen + qp->q.len;

      此时head就是skb，并且它的skb->data存储了第一个IP分片的内容，其它IP分片的内容将存储在紧接skb的空间 – frag_list；skb_push将skb->data回归原位，即未处理IP报头前的位置，因为之前的IP分片处理会调用skb_pull移走IP报头，将它回归原位是因为skb即将作为重组后的报文而被处理，那里会真正的skb_pull移走IP报头，再交由上层协议处理。

skb_shinfo(head)->frag_list = head->next;
skb_push(head, head->data - skb_network_header(head));

      上面所说的frag_list是struct skb_shared_info的一个属性，在分配skb时分配在其后空间，通过skb_shinfo(skb)进行引用。下面分配skb大小size和skb_shared_info大小的代码摘自[net/core/skbuff.c]

size = SKB_DATA_ALIGN(size);
data = kmalloc_node_track_caller(size + sizeof(struct skb_shared_info),
  gfp_mask, node);

      这里要弄清楚sk_buff中线性存储区和paged buffer的区别，线性存储区就是存储报文，如果是分片后的，则只是第一个分片的内容；而paged buffer则存储其余分片的内容。而skb->data_len则表示paged buffer中内容长度，而skb->len则是paged buffer + linear buffer。下面这段代码就是根据余下的分片增加data_len和len计数。

for (fp=head->next; fp; fp = fp->next) {
 head->data_len += fp->len;
 head->len += fp->len;
 ……
}

      IP分片已经重组完成，分片从q.fragments链表移到了frag_list上，因此head->next和qp->q.fragments置为NULL。偏移量frag_off置0，总长度tot_len置为所有分片的长度和，这样，skb就相当于没有分片的完整的大数据包，继续向上传递。

head->next = NULL;
head->dev = dev;
……
iph = ip_hdr(head);
iph->frag_off = 0;
iph->tot_len = htons(len);
IP_INC_STATS_BH(net, IPSTATS_MIB_REASMOKS);
qp->q.fragments = NULL;