協(xié)議棧的細(xì)節(jié)

　　下面將介紹一些內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中常常涉及到的概念,。

　　sk_buff

　　內(nèi)核顯然需要一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示報(bào)文，這個(gè)結(jié)構(gòu)就是 sk_buff ( socket buffer 的簡(jiǎn)稱),，它等同于在<TCP/IP詳解 卷2>中描述的 BSD 內(nèi)核中的 mbuf,。

　　sk_buff 結(jié)構(gòu)自身并不存儲(chǔ)報(bào)文內(nèi)容,，它通過多個(gè)指針指向真正的報(bào)文內(nèi)存空間:

　　sk_buff 是一個(gè)貫穿整個(gè)協(xié)議棧層次的結(jié)構(gòu),，在各層間傳遞時(shí),，內(nèi)核只需要調(diào)整 sk_buff 中的指針位置就行,。

　　net_device

　　內(nèi)核使用 net_device 表示網(wǎng)卡,。網(wǎng)卡可以分為物理網(wǎng)卡和虛擬網(wǎng)卡,。物理網(wǎng)卡是指真正能把報(bào)文發(fā)出本機(jī)的網(wǎng)卡，包括真實(shí)物理機(jī)的網(wǎng)卡以及VM虛擬機(jī)的網(wǎng)卡,，而像 tun/tap,，vxlan、veth pair 這樣的則屬于虛擬網(wǎng)卡的范疇,。

　　如下圖所示,，每個(gè)網(wǎng)卡都有兩端，一端是協(xié)議棧(IP,、TCP,、UDP)，另一端則有所區(qū)別,，對(duì)物理網(wǎng)卡來(lái)說,，這一端是網(wǎng)卡生產(chǎn)廠商提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而對(duì)虛擬網(wǎng)卡來(lái)說差別就大了,，正是由于虛擬網(wǎng)卡的存在,，內(nèi)核才能支持各種隧道封裝、容器通信等功能,。

　　socket & sock

　　用戶空間通過 socket(),、bind(),、listen()、accept() 等庫(kù)函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程,。而這里提到的 socket 和 sock 是內(nèi)核中的兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其中 socket 向上面向用戶，而 sock 向下面向協(xié)議棧,。

　　如下圖所示,，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一一對(duì)應(yīng)的。

　　注意到,，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)上都有一個(gè)叫 ops 的指針, 但它們的類型不同,。socket 的 ops 是一個(gè)指向 struct proto_ops 的指針，sock 的 ops 是一個(gè)指向 struct proto 的指針, 它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)被創(chuàng)建時(shí)確定,。

　　回憶網(wǎng)絡(luò)編程中 socket() 函數(shù)的原型：

　　實(shí)際上, socket->ops 和 sock->ops 由前兩個(gè)參數(shù) socket_family 和 socket_type 共同確定,。

　　如果 socket_family 是最常用的 PF_INET 協(xié)議簇, 則 socket->ops 和 sock->ops 的取值就記錄在 INET 協(xié)議開關(guān)表中：

　　L3->L4

　　我們知道網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是分層的，但實(shí)際上,，具體到實(shí)現(xiàn),，內(nèi)核協(xié)議棧的分層只是邏輯上的,，本質(zhì)還是函數(shù)調(diào)用,。發(fā)送流程(上層調(diào)用下層)通常是直接調(diào)用(因?yàn)闆]有不確定性，比如TCP知道下面一定IP),，但接收過程不一樣了,，比如報(bào)文在 IP 層時(shí)，它上面可能是 TCP,，也可能是 UDP,，或者是 ICMP 等等，所以接收過程使用的是注冊(cè)-回調(diào)機(jī)制,。

　　還是以 INET 協(xié)議簇為例,，注冊(cè)接口是：

　　在內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)初始化時(shí)，L4 層協(xié)議(如下面的 TCP 和 UDP)會(huì)被注冊(cè)：

　　而在IP層,，查詢過路由后,，如果該報(bào)文是需要上送本機(jī)的，則會(huì)根據(jù)報(bào)文的 L4 協(xié)議,，送給不同的 L4 處理：

　　L2->L3

　　L2->L3 如出一轍,。只不過注冊(cè)接口變成了：

　　誰(shuí)會(huì)注冊(cè)呢？顯然至少 IP 會(huì)：

　　而在報(bào)文接收過程中,，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)將報(bào)文的 L3 類型設(shè)置到 skb->protocol,，然后在內(nèi)核 netif_receive_skb 收包時(shí)，會(huì)根據(jù)這個(gè) protocol 調(diào)用不同的回調(diào)函數(shù)：

　　Netfilter

　　Netfilter 是報(bào)文在內(nèi)核協(xié)議棧必然會(huì)通過的路徑,，我們從下面這張圖就可以看到,，Netfilter 在內(nèi)核的 5 個(gè)地方設(shè)置了 HOOK 點(diǎn),，用戶可以通過配置 iptables 規(guī)則，在 HOOK 點(diǎn)對(duì)報(bào)文進(jìn)行過濾,、修改等操作,。

　　在內(nèi)核代碼中，我們時(shí)?？梢?NF_HOOK 這樣的調(diào)用,。我的建議是，如果你暫時(shí)不考慮 Netfilter,，那么就直接跳過, 跟蹤 okfn 就行,。

　　dst_entry

　　內(nèi)核需要確定收到的報(bào)文是應(yīng)該本地上送(local deliver)還是轉(zhuǎn)發(fā)(forward),對(duì)本機(jī)發(fā)送(local out)的報(bào)文需要確定是從哪個(gè)網(wǎng)卡發(fā)送出去，這都是內(nèi)核通過查詢 fib (forward information base, 轉(zhuǎn)發(fā)信息表) 確定,。fib 可以理解為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),，數(shù)據(jù)來(lái)源是用戶配置或者內(nèi)核自動(dòng)生成的路由。

　　fib 查詢的輸入是報(bào)文 sk_buff,，輸出是 dst_entry. dst_entry 會(huì)被設(shè)置到 skb 上：

　　而 dst_entry 中最重要的是一個(gè) input 指針和 output 指針：

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