爱站程序员基地| [tr][td]◆ Linux网络代码导读v0.2 |
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作者：yawl < yawl@nsfocus.com > 1 前言 许多人在分析linux代码时对网络部分（主要是src/linux/net，src/linux/include/net及src/linux/include/linux目录下的文件）比较感兴趣，确实，尽管已经从书本上学到了大量的TCP/IP原理，不读源码的话，头脑中还是建立不起具体的印象。而分析这部分代码的一个问题便是代码众多而资料很少。这篇文章的目的就是勾勒出一个框架，让读者能够大致能够了解TCP/IP究竟是怎么工作的。以前见到的许多代码分析都是基于2.0内核的，在新的内核中许多函数变了名字，这尤其给初学者带来了困难，本文是以2.4.0-test9的代码作例子，这样对照代码时可能更清晰些。 其实网络部分的代码我只对防火墙部分一行行仔细分析过，其他许多地方也只是一知半解，如果理解有误，欢迎指正。 建议在看本文的同时，用source insight(www.soucedyn.com)建立一个项目，同时看代码，这样可能效果更好点。我也用过其他的一些工具，但在分析大量的代码的时候，没有一个工具比它更方便的了。 2 正文 ISO的七层模型都非常熟悉了，当然，对于internet,用四层模型更为适合。在这两份模型里，网络协议以层次的形式出现。而LINUX的内核代码中，严格分出清楚的层次却比较困难，因为除了一些\”内核线程(kernel thread外)\”，整个内核其实是个单一的进程。因此所谓\”网络层\”,只是一组相关的函数，而各层之间大多通过一般的函数调用的方式完成交互。 而从逻辑上，网络部分的代码更应该这样分层更为合理： .INET socket层：BSD socket是个可以用于各种网络协议的接口，而当用于tcp/ip，即建立了AF_INET形式的socket时，还需要保留些额外的参数，于是就有了struct sock结构。 .TCP/UDP层：处理传输层的操作，传输层用struct inet_protocol和struct proto两个结构表示。 .数据链路层和驱动程序：每个网络设备以struct net_device表示，通用的处理在dev.c中， 现在我要给出一张表，全文的内容就是为了说明这张表（如果你觉得我在文章中的语言比较乏味，尽可抛掉他们，结合这张表自己看代码）。在我最初看网络部分代码时，比较喜欢《linux kernel internals》的第八章的一段，其中有一个进程A通过网络远程向另一进程B发包的例子，详细介绍了一个数据包如何从网络堆栈中走过的过程。我觉得这样可以更迅速的帮助读者看清森林的全貌，因此本文参照这种结构来 ^ ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ | sys_write fs/read_write.c 我们假设的环境如下：有两台主机通过互联网联在一起，其中一台机子运行这一个进程A，另外一台运行进程B，进程A将向进程B发出一条信息，比如\”Hello\”,而B接受此信息。 2.1 建立套接字 在数据发送之前，要建立一个套接字（socket）,在两边的程序中都会调用如下语句： … 这是个系统调用，因此会通过0x80中断进入系统内核，调用内核中的相应函数.当寻找系统调用在内核中的对应流程时，一般前面加入\”sys_\”再找就是了，如对fork来说，就是调用sys_fork。但是socket相关调用有些特殊，所有的这类调用都是通过一个入口，即sys_socketcall进入系统内核，然后再通过参数调用具体的sys_socket,socket_bind等函数。 sys_socket会调用sock_create产生一个struct socket结构（见include/linux/net.h），每个套接字在内核中都有一个这样的结构对应，在初始化了此结构的一些通用成员后（如分配inode，根据第二个参数为type项赋值等），会根据其一个参数作响应的调度，即这 在struct socket结构结构中最重要的信息保留在struct sock结构中，这个结构在网络代码中经常使用，建议把它和其他常见结构（如struct sk_buff）打印出来放在手边。在inet_create会为此结构分配内存，并根据套接字类型（其实就是socket函数的第二个参数），作各自不同的初始化： 如果类型是SOCK_STREAM的话会调用tcp_v4_init_sock，而SOCK_DGRAM类型的socket没有额外的初始化了，到此socket调用结束。 还有一个值得注意的地方是当inet_create（）调用完后，会接着调用sock_map_fd函数，这个函数中会为套接字分配一个文件描述符并分配一个file文件。在应用层便可象处理文件一样处理套接字了。 开始的时候可能有些流程难以跟下去，主要便是这些函数指针的实际指向会根据类型变化。 2.2 发送数据 当进程A想发送数据时，程序中会调用如下语句(如果用sendto函数的话会走类似的流程，略)： write在内核中对应的函数就是sys_write，此函数首先根据文件描述符找到struct file结构，如果此文件存在（file指针非空）且可写（file->f_mode & FMODE_WRITE为true），便调用此文件结构的写操作： 其中f_op是个struct file_operations结构指针，在sock_map_fd中将其指向socket_file_ops，其定义如下（/net/socket.c）： 此时wirte函数指针显然指向了sock_write，我们跟下去看,此函数将一个字符串缓冲整理成struct msghdr，最后调用了sock_sendmsg. sock_sendmsg中的scm_send我不了解（scm是Socket level control messages的简写），好在它也不是很关键，我们注意到这句： 又是个函数指针，sock->ops在inet_create（）函数中被初始化，由于我们我们是UDP的套接字，sock->ops指向了inet_dgram_ops（即sock->ops = &inet_dgram_ops;），其定义在net/ipv4/Af_inet.c中： release: inet_release, 因此我们要看得便是inet_sendmsg（）函数了，而马上，这个函数又通过函数指针调用了另一函数： 我们不得不再次寻找其具体指向。看到这里，说点题外话，怎么才能找到其具体定义呢？我一般是这样:对上例而言，sk是个struct sock结构，到其定义（linux/net/sock.h中）出看到prot是个struct proto结构，此时我们便在源代码树中寻找所有此结构的实例（这些诸如跳到定义，寻找引用等工作在source insight中实在太方便快速了^_^）,很快便会发现诸如udp_prot，tcp_prot，raw_prot等，猜测是用了udp_prot,便再找一下它在源代码中的引用情况，果然发现在inet_create中有这么一句： 其实如果前面看inet_create函数时仔细一点会早点发现了，但我总没有这么细心:)。 我们顺着udp_sendmsg往下走： ip_build_xmit函数的很大比例是生成sk_buff,并为数据包加入IP头。 简单的说，在没有防火墙代码干预的情况下，你可以将此处理解为直接调用output_maybe_reroute，（具体可参看绿盟月刊14期中的《内核防火墙netfilter入门 》） 依旧照上面的方法（不过这个确实不太好找），发现其实这个指针是在ip_route_output中指定的，（提示：ip_route_output_slow中：rth->u.dst.output=ip_output;）,ip_route_output的作用便是查找路由，并将结果记录到skb->dst中。 于是，我们开始看ip_output函数了，而它马上又走向了ip_finish_output～～。 闲话少叙，实际调用了dev_queue_xmit，到此我们完成了TCP/IP层的工作，开始数据链路层的处理。 在做了一些判断之后，实际的调用是这句： 这个函数是在网卡的驱动程序中定义的，每个不同的网卡有不同的处理，我的网卡是比较通用的3c509（其驱动程序是3c509.c),在网卡处理化的时候（el3_probe），有： 再往下便是IO操作，将数据包真正的发到网络上去，至此发送过程结束。 中间我说的有些草率，完全没顾的上中间的如出错，阻塞，分片等特殊处理，只是将理想的过程描述出来。 2.3 接受数据 当有数据到达网卡的时候，会产生一个硬件中断，然后调用网卡驱动程序中的函数来处理，对我的3c509网卡来说，其处理函数为：el3_interrupt。（相应的IRQ号是在系统启动，网卡初始化时通过request_irq函数决定的。）这个中断处理程序首先要做的当然就是进行一些IO操作将数据读入（读IO用inw函数），当数据帧成功接受后，执行el3_rx(dev)进一步处理。 在el3_rx中，收到的数据报会被封装成struct sk_buff，并脱离驱动程序，转到通用的处理函数netif_rx（dev.c）中。为了CPU的效率，上层的处理函数的将采用软中断的方式激活，netif_rx的一个重要工作就是将传入的sk_buff放到等候队列中，并置软中断标志位，然后便可放心返回，等待下一次网络数据包的到来： 这个地方在2.2内核中一直被称为\”底半\”处理–bottom half,其内部实现基本类似，目的是快速的从中断中返回。 过了一段时间后，一次CPU调度会由于某些原因会发生（如某进程的时间片用完）。在进程调度函数即schedule()中，会检查有没有软中断发生，若有则运行相应的处理函数: 在系统初始化的时候，具体说是在net_dev_init中，此软中断的处理函数被定为net_rx_action： 当下一次进程调度被执行的时候，系统会检查是否发生NET_TX_SOFTIRQ软中断，若有则调用net_rx_action。 net_tx_action函数既是2.2版本中的net_bh函数,在内核中有两个全局变量用来登记网络层的，一个是链表ptype_all，另外一个是数组ptype_base[16]，他们记载了所有内核能够处理的第三层（按照OSI7层模型）协议。每个网络层的接收处理由一个 skb->protocol是在el3_rx中赋值的，其实就是以太帧头信息中提取出的上层协议名，对于我们的例子来说，这个值是ETH_P_IP，所以在net_tx_action中，会选择IP层的接收处理函数，而从ip_packet_type 不难看出，这个函数便是ip_recv（）。 现在我们便来看看ip_recv（net/ipv4/ip_input.c）。这个函数的操作是非常清晰的:首先检查这个包的合法性（版本号，长度，校验和等是否正确），如果合法则进行接下来的处理。在2.4内核中，为了灵活处理防火墙代码，将原来的一个ip_recv分成了两部分，即将将原来的的ip_recv的后半段独立出一个ip_rcv_finish函数。在ip_rcv_finish中，一部分是带有IP选项（如源路由等）的IP包，例外就是通过ip_route_input查找路由，并将结果记录到skb->dst中。此时接收到的包有两种，发往本地进程（需要传往上层协议）或转发（用作网关时），此时需要的处理函数也不相同，如果传往本地，则调用ip_local_deliver(/net/ipv4/ip_input.c),否则调用ip_forward(/net/ipv4/ip_forward.c).skb->dst->input这个函数指针会将数据报领上正确的道路。 对我们的例子而言，此时应该是调用ip_local_deliver的时候了。 传输层（如TCP,UDP，RAW）的处理被登记到了inet_protos中（通过inet_add_protocol）。ip_local_deliver_finish会根据IP头信息中的上层协议信息（即iph->protocol），调用相应的处理函数。为了简便，我们采用了udp,此时的ipprot->handler实际便是udp_rcv了。 前面已经提到，在应用程序中建立的每个socket在内核中有一个struct socket/struct sock对应。udp_rcv会通过udp_v4_lookup首先找到在内核中的sock,然后将其作参数调用udp_queue_rcv_skb（/net/ipv4/udp.c）。马上，sock_queue_rcv_skb函数被调用，此函数将sk_buff放入等待队列，然后通知上层数据到达： sk->data_ready的定义在sock结构初始化的时候（sock_init_data）： 现在我们便要从上往下看起了： 此系统调用在内核中的函数是sys_read(fs/read_write.c)以下的处理类似write的操作，不再详述.udp_recvmsg函数会调用skb_recv_datagram，如果数据还没有到达，且socket设为阻塞模式时，进程会挂起（signal_pending(current)），直到data_ready通知进程资源得到满足后继续处理（wake_up_interruptible(sk->sleep);）。 2.4 skbuff 网络代码中有大量的处理涉及对sk_buff的操作，尽管此文中尽量将其回避了，但在仔细分析的时候则必须对此作分析，数据包在网络协议层是以sk_buff的形式传送处理的，可以说它是网络部分最重要的数据结构。具体分析建议参看alan cox的《Network Buffers And Memory Management》，这篇发表在1996年10月的linux journal上。 这里引用phrack 55-12期中的一幅图,尽管它只描绘了sk_buff的极小的一个侧面，但却非常有用，尤其是当你像我一样总忘记了skb_put是向前还是向后调指针的时候：） — —————–hand linux网络层效率：在linux的网络层代码中指针被大量应用，其目的就是避免数据拷贝这类耗费系统资源的操作。一个数据包的数据段部分在读入或发出时只经过两次拷贝，即从网卡中考到核心态内存，和从核心态内存考到用户态内存。前些天看到，在一些提高sniffer抓包效率的尝试中，turbo packet(一个内核补丁)采用了核心态和 3 后记： 4 参考文献： [1.] phrack 55-12期 |
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