Linux數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程

本篇內(nèi)容介紹了“Linux數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程”的有關(guān)知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

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socket層

               +-------------+                | Application |                +-------------+                      |                      |                      ↓ +------------------------------------------+ | socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP) | +------------------------------------------+                      |                      |                      ↓            +-------------------+            | sendto(sock, ...) |            +-------------------+                      |                      |                      ↓               +--------------+               | inet_sendmsg |               +--------------+                      |                      |                      ↓              +---------------+              | inet_autobind |              +---------------+                      |                      |                      ↓                +-----------+                | UDP layer |                +-----------+

  • socket(...)：  創(chuàng)建一個socket結(jié)構(gòu)體，并初始化相應(yīng)的操作函數(shù)，由于我們定義的是UDP的socket，所以里面存放的都是跟UDP相關(guān)的函數(shù)

  • sendto(sock, ...)： 應(yīng)用層的程序(Application)調(diào)用該函數(shù)開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，該函數(shù)數(shù)會調(diào)用后面的inet_sendmsg

  • inet_sendmsg：  該函數(shù)主要是檢查當(dāng)前socket有沒有綁定源端口，如果沒有的話，調(diào)用inet_autobind分配一個，然后調(diào)用UDP層的函數(shù)

  • inet_autobind：  該函數(shù)會調(diào)用socket上綁定的get_port函數(shù)獲取一個可用的端口，由于該socket是UDP的socket，所以get_port函數(shù)會調(diào)到UDP代碼里面的相應(yīng)函數(shù)。

UDP層

     |             |             ↓      +-------------+      | udp_sendmsg |      +-------------+             |             |             ↓  +----------------------+  | ip_route_output_flow |  +----------------------+             |             |             ↓      +-------------+      | ip_make_skb |      +-------------+             |             |             ↓ +------------------------+ | udp_send_skb(skb, fl4) | +------------------------+             |             |             ↓        +----------+        | IP layer |        +----------+

  • udp_sendmsg：  udp模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包的入口，該函數(shù)較長，在該函數(shù)中會先調(diào)用ip_route_output_flow獲取路由信息(主要包括源IP和網(wǎng)卡)，然后調(diào)用ip_make_skb構(gòu)造skb結(jié)構(gòu)體，***將網(wǎng)卡的信息和該skb關(guān)聯(lián)。

  • ip_route_output_flow：  該函數(shù)會根據(jù)路由表和目的IP，找到這個數(shù)據(jù)包應(yīng)該從哪個設(shè)備發(fā)送出去，如果該socket沒有綁定源IP，該函數(shù)還會根據(jù)路由表找到一個最合適的源IP給它。  如果該socket已經(jīng)綁定了源IP，但根據(jù)路由表，從這個源IP對應(yīng)的網(wǎng)卡沒法到達(dá)目的地址，則該包會被丟棄，于是數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，sendto函數(shù)將返回錯誤。該函數(shù)***會將找到的設(shè)備和源IP塞進(jìn)flowi4結(jié)構(gòu)體并返回給udp_sendmsg

  • ip_make_skb：  該函數(shù)的功能是構(gòu)造skb包，構(gòu)造好的skb包里面已經(jīng)分配了IP包頭，并且初始化了部分信息(IP包頭的源IP就在這里被設(shè)置進(jìn)去)，同時該函數(shù)會調(diào)用__ip_append_dat，如果需要分片的話，會在__ip_append_data函數(shù)中進(jìn)行分片，同時還會在該函數(shù)中檢查socket的send  buffer是否已經(jīng)用光，如果被用光的話，返回ENOBUFS

  • udp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb里面填充UDP的包頭，同時處理checksum，然后調(diào)用IP層的相應(yīng)函數(shù)。

IP層

        |          |          &darr;   +-------------+   | ip_send_skb |   +-------------+          |          |          &darr;  +-------------------+       +-------------------+       +---------------+  | __ip_local_out_sk |------>| NF_INET_LOCAL_OUT |------>| dst_output_sk |  +-------------------+       +-------------------+       +---------------+                                                                  |                                                                  |                                                                  &darr; +------------------+        +----------------------+       +-----------+ | ip_finish_output |<-------| NF_INET_POST_ROUTING |<------| ip_output | +------------------+        +----------------------+       +-----------+          |          |          &darr;  +-------------------+      +------------------+       +----------------------+  | ip_finish_output2 |----->| dst_neigh_output |------>| neigh_resolve_output |  +-------------------+      +------------------+       +----------------------+                                                                   |                                                                   |                                                                   &darr;                                                           +----------------+                                                           | dev_queue_xmit |                                                           +----------------+

  • ip_send_skb： IP模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包的入口，該函數(shù)只是簡單的調(diào)用一下后面的函數(shù)

  • __ip_local_out_sk： 設(shè)置IP報文頭的長度和checksum，然后調(diào)用下面netfilter的鉤子

  • NF_INET_LOCAL_OUT： netfilter的鉤子，可以通過iptables來配置怎么處理該數(shù)據(jù)包，如果該數(shù)據(jù)包沒被丟棄，則繼續(xù)往下走

  • dst_output_sk： 該函數(shù)根據(jù)skb里面的信息，調(diào)用相應(yīng)的output函數(shù)，在我們UDP IPv4這種情況下，會調(diào)用ip_output

  • ip_output： 將上面udp_sendmsg得到的網(wǎng)卡信息寫入skb，然后調(diào)用NF_INET_POST_ROUTING的鉤子

  • NF_INET_POST_ROUTING： 在這里，用戶有可能配置了SNAT，從而導(dǎo)致該skb的路由信息發(fā)生變化

  • ip_finish_output：  這里會判斷經(jīng)過了上一步后，路由信息是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化的話，需要重新調(diào)用dst_output_sk(重新調(diào)用這個函數(shù)時，可能就不會再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函數(shù)里，這里有可能是xfrm4_transport_output)，否則往下走

  • ip_finish_output2：  根據(jù)目的IP到路由表里面找到下一跳(nexthop)的地址，然后調(diào)用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表里面找下一跳的neigh信息，沒找到的話會調(diào)用__neigh_create構(gòu)造一個空的neigh結(jié)構(gòu)體

  • dst_neigh_output：  在該函數(shù)中，如果上一步ip_finish_output2沒得到neigh信息，那么將會走到函數(shù)neigh_resolve_output中，否則直接調(diào)用neigh_hh_output，在該函數(shù)中，會將neigh信息里面的mac地址填到skb中，然后調(diào)用dev_queue_xmit發(fā)送數(shù)據(jù)包

  • neigh_resolve_output：  該函數(shù)里面會發(fā)送arp請求，得到下一跳的mac地址，然后將mac地址填到skb中并調(diào)用dev_queue_xmit

netdevice子系統(tǒng)

                      |                         |                         &darr;                  +----------------+ +----------------| dev_queue_xmit | |                +----------------+ |                       | |                       | |                       &darr; |              +-----------------+ |              | Traffic Control | |              +-----------------+ | loopback              | |   or                  +--------------------------------------------------------------+ | IP tunnels            &darr;                                                              | |                       &darr;                                                              | |            +---------------------+  Failed   +----------------------+         +---------------+ +----------->| dev_hard_start_xmit |---------->| raise NET_TX_SOFTIRQ |- - - - >| net_tx_action |              +---------------------+           +----------------------+         +---------------+                         |                         +----------------------------------+                         |                                  |                         &darr;                                  &darr;                 +----------------+              +------------------------+                 | ndo_start_xmit |              | packet taps(AF_PACKET) |                 +----------------+              +------------------------+

  • dev_queue_xmit： netdevice子系統(tǒng)的入口函數(shù)，在該函數(shù)中，會先獲取設(shè)備對應(yīng)的qdisc，如果沒有的話(如loopback或者IP  tunnels)，就直接調(diào)用dev_hard_start_xmit，否則數(shù)據(jù)包將經(jīng)過Traffic Control模塊進(jìn)行處理

  • Traffic Control：  這里主要是進(jìn)行一些過濾和優(yōu)先級處理，在這里，如果隊列滿了的話，數(shù)據(jù)包會被丟掉，詳情請參考文檔，這步完成后也會走到dev_hard_start_xmit

  • dev_hard_start_xmit： 該函數(shù)中，首先是拷貝一份skb給“packet  taps”，tcpdump就是從這里得到數(shù)據(jù)的，然后調(diào)用ndo_start_xmit。如果dev_hard_start_xmit返回錯誤的話(大部分情況可能是NETDEV_TX_BUSY)，調(diào)用它的函數(shù)會把skb放到一個地方，然后拋出軟中斷NET_TX_SOFTIRQ，交給軟中斷處理程序net_tx_action稍后重試(如果是loopback或者IP  tunnels的話，失敗后不會有重試的邏輯)

  • ndo_start_xmit： 這是一個函數(shù)指針，會指向具體驅(qū)動發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)

Device Driver

ndo_start_xmit會綁定到具體網(wǎng)卡驅(qū)動的相應(yīng)函數(shù)，到這步之后，就歸網(wǎng)卡驅(qū)動管了，不同的網(wǎng)卡驅(qū)動有不同的處理方式，這里不做詳細(xì)介紹，其大概流程如下：

  1. 將skb放入網(wǎng)卡自己的發(fā)送隊列

  2. 通知網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)包

  3. 網(wǎng)卡發(fā)送完成后發(fā)送中斷給CPU

  4. 收到中斷后進(jìn)行skb的清理工作

在網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)送數(shù)據(jù)***程中，會有一些地方需要和netdevice子系統(tǒng)打交道，比如網(wǎng)卡的隊列滿了，需要告訴上層不要再發(fā)了，等隊列有空閑的時候，再通知上層接著發(fā)數(shù)據(jù)。

其它

  • SO_SNDBUF: 從上面的流程中可以看出來，對于UDP來說，沒有一個對應(yīng)send  buffer存在，SO_SNDBUF只是一個限制，當(dāng)這個socket分配的skb占用的內(nèi)存超過這個值的時候，會返回ENOBUFS，所以說只要不出現(xiàn)ENOBUFS錯誤，把這個值調(diào)大沒有意義。從sendto函數(shù)的幫助文件里面看到這樣一句話：(Normally,  this does not occur in Linux. Packets are just silently dropped when a device  queue overflows.)。這里的device queue應(yīng)該指的是Traffic  Control里面的queue，說明在linux里面，默認(rèn)的SO_SNDBUF值已經(jīng)夠queue用了，疑問的地方是，queue的長度和個數(shù)是可以配置的，如果配置太大的話，按道理應(yīng)該有可能會出現(xiàn)ENOBUFS的情況。

  • txqueuelen:  很多地方都說這個是控制qdisc里queue的長度的，但貌似只是部分類型的qdisc用了該配置，如linux默認(rèn)的pfifo_fast。

  • hardware RX: 一般網(wǎng)卡都有一個自己的ring  queue，這個queue的大小可以通過ethtool來配置，當(dāng)驅(qū)動收到發(fā)送請求時，一般是放到這個queue里面，然后通知網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)這個queue滿的時候，會給上層調(diào)用返回NETDEV_TX_BUSY

  • packet taps(AF_PACKET):  當(dāng)***次發(fā)送數(shù)據(jù)包和重試發(fā)送數(shù)據(jù)包時，都會經(jīng)過這里，如果發(fā)生重試的情況的話，不確定tcpdump是否會抓到兩次包，按道理應(yīng)該不會，可能是我哪里沒看懂

“Linux數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實用文章！

當(dāng)前名稱：Linux數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程
瀏覽路徑：http://www.muchs.cn/article22/phdocc.html

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