Linux網路代碼導讀v0.2

Linux網路代碼導讀v0.2

         

      ◆ Linux網路代碼導讀v0.2

      作者：yawl < yawl@nsfocus.com >
      首頁：http://www.nsfocus.com/
      1 前言

      許多人在分析linux代碼時對網路部分（主要是src/linux/net，src/linux/include/net及src/linux/include/linux目錄下的檔案）比較感興趣，確實，儘管已經從書本上學到了大量的TCP/IP原理，不讀源碼的話，頭腦中還是建立不起具體的印象。而分析這部分代碼的一個問題便是代碼眾多而資料很少。這篇文章的目的就是勾勒出一個架構，讓讀者能夠大致能夠瞭解TCP/IP究竟是怎麼工作的。以前見到的許多程式碼分析都是基於2.0核心的，在新的核心中許多函數變了名字，這尤其給初學者帶來了困難，本文是以2.4.0-test9的代碼作例子，這樣對照代碼時可能更清晰些。

      其實網路部分的代碼我只對防火牆部分一行行仔細分析過，其他許多地方也只是一知半解，如果理解有誤，歡迎指正。

      建議在看本文的同時，用source insight(www.soucedyn.com)建立一個項目，同時看代碼，這樣可能效果更好點。我也用過其他的一些工具，但在分析大量的代碼的時候，沒有一個工具比它更方便的了。

      2 本文

      ISO的七層模型都非常熟悉了，當然，對於internet,用四層模型更為適合。在這兩份模型裡，網路通訊協定以層次的形式出現。而LINUX的核心代碼中，嚴格分出清楚的層次卻比較困難，因為除了一些/"核心線程(kernel thread外)/"，整個核心其實是個單一的進程。因此所謂/"網路層/",只是一組相關的函數，而各層之間大多通過一般的函數調用的方式完成互動。

      而從邏輯上，網路部分的代碼更應該這樣分層更為合理：
      .BSD socket層：這一部分處理BSD socket相關操作，每個socket在核心中以struct socket結構體現。
      這一部分的檔案主要有：/net/socket.c /net/protocols.c etc

      .INET socket層：BSD socket是個可以用於各種網路通訊協定的介面，而當用於tcp/ip，即建立了AF_INET形式的socket時，還需要保留些額外的參數，於是就有了struct sock結構。
      檔案主要有：/net/ipv4/protocol.c /net/ipv4/af_inet.c /net/core/sock.c etc

      .TCP/UDP層：處理傳輸層的操作，傳輸層用struct inet_protocol和struct proto兩個結構表示。
      檔案主要有：/net/ipv4/udp.c /net/ipv4/datagram.c /net/ipv4/tcp.c /net/ipv4/tcp_input.c
      /net/ipv4//tcp_output.c /net/ipv4/tcp_minisocks.c /net/ipv4/tcp_output.c
      /net/ipv4/tcp_timer.c etc

      .IP層：處理網路層的操作，網路層用struct packet_type結構表示。
      檔案主要有：/net/ipv4/ip_forward.c ip_fragment.c ip_input.c ip_output.c etc.

      .資料連結層和驅動程式：每個網路裝置以struct net_device表示，通用的處理在dev.c中，
      驅動程式都在/driver/net目錄下。

      網路部分還有很多其他檔案，如防火牆，路由等，一般根據看到名字便能猜測出相應的處理，此處不再贅述。

      現在我要給出一張表，全文的內容就是為了說明這張表（如果你覺得我在文章中的語言比較乏味，盡可拋掉他們，結合這張表自己看代碼）。在我最初看網路部分代碼時，比較喜歡《linux kernel internals》的第八章的一段，其中有一個進程A通過網路遠程向另一進程B發包的例子，詳細介紹了一個資料包如何從網路堆棧中走過的過程。我覺得這樣可以更迅速的協助讀者看清森林的全貌，因此本文參照這種結構來
      敘述。

      ^
      | sys_read fs/read_write.c
      | sock_read net/socket.c
      | sock_recvmsg net/socket.c
      | inet_recvmsg net/ipv4/af_inet.c
      | udp_recvmsg net/ipv4/udp.c
      | skb_recv_datagram net/core/datagram.c
      | -------------------------------------------
      | sock_queue_rcv_skb include/net/sock.h
      | udp_queue_rcv_skb net/ipv4/udp.c
      | udp_rcv net/ipv4/udp.c
      | ip_local_deliver_finish net/ipv4/ip_input.c
      | ip_local_deliver net/ipv4/ip_input.c
      | ip_recv net/ipv4/ip_input.c
      | net_rx_action net/dev.c
      | -------------------------------------------
      | netif_rx net/dev.c
      | el3_rx driver/net/3c309.c
      | el3_interrupt driver/net/3c309.c

      ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

      | sys_write fs/read_write.c
      | sock_writev net/socket.c
      | sock_sendmsg net/socket.c
      | inet_sendmsg net/ipv4/af_inet.c
      | udp_sendmsg net/ipv4/udp.c
      | ip_build_xmit net/ipv4/ip_output.c
      | output_maybe_reroute net/ipv4/ip_output.c
      | ip_output net/ipv4/ip_output.c
      | ip_finish_output net/ipv4/ip_output.c
      | dev_queue_xmit net/dev.c
      | --------------------------------------------
      | el3_start_xmit driver/net/3c309.c
      V

      我們假設的環境如下：有兩台主機通過互連網聯在一起，其中一台機子運行這一個進程A，另外一台運行進程B，進程A將向進程B發出一條資訊，比如/"Hello/",而B接受此資訊。
      TCP處理本身非常複雜，為了便於敘述，在後面我們將用UDP作為例子。

      2.1 建立通訊端

      在資料發送之前，要建立一個通訊端（socket）,在兩邊的程式中都會調用如下語句：

      ...
      int sockfd;
      sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
      ...

      這是個系統調用，因此會通過0x80中斷進入系統核心，調用核心中的相應函數.當尋找系統調用在核心中的對應流程時，一般前面加入/"sys_/"再找就是了，如對fork來說，就是調用sys_fork。但是socket相關調用有些特殊，所有的這類調用都是通過一個入口，即sys_socketcall進入系統核心，然後再通過參數調用具體的sys_socket,socket_bind等函數。

      sys_socket會調用sock_create產生一個struct socket結構（見include/linux/net.h），每個通訊端在核心中都有一個這樣的結構對應，在初始化了此結構的一些通用成員後（如分配inode，根據第二個參數為type項賦值等），會根據其一個參數作響應的調度，即這
      一句：
      ...
      net_families[family]->create(sock, protocol);
      ...

      我們的程式的第一個參數是AF_INET，所以此函數指標會指向inet_create（）；（net_families是個數組，保留了網路通訊協定族（net families）的資訊，而這些協議族用sock_register載入。）

      在struct socket結構結構中最重要的資訊保留在struct sock結構中，這個結構在網路代碼中經常使用，建議把它和其他常見結構（如struct sk_buff）列印出來放在手邊。在inet_create會為此結構分配記憶體，並根據通訊端類型（其實就是socket函數的第二個參數），作各自不同的初始化：
      ...
      if (sk->prot->init)
      sk->prot->init(sk);
      ...

      如果類型是SOCK_STREAM的話會調用tcp_v4_init_sock，而SOCK_DGRAM類型的socket沒有額外的初始化了，到此socket調用結束。

      還有一個值得注意的地方是當inet_create（）調用完後，會接著調用sock_map_fd函數，這個函數中會為通訊端分配一個檔案描述符並分配一個file檔案。在應用程式層便可象處理檔案一樣處理通訊端了。

      開始的時候可能有些流程難以跟下去，主要便是這些函數指標的實際指向會根據類型變化。

      2.2 發送資料

      當進程A想發送資料時，程式中會調用如下語句(如果用sendto函數的話會走類似的流程，略)：
      ...
      write(sockfd,/"Hello/",strlen(/"Hello/"));
      ...

      write在核心中對應的函數就是sys_write，此函數首先根據檔案描述符找到struct file結構，如果此檔案存在（file指標非空）且可寫（file->f_mode & FMODE_WRITE為true），便調用此檔案結構的寫操作：
      ...
      if (file->f_op && (write = file->f_op->write) != NULL)
      ret = write(file, buf, count, &file->f_pos);
      ...

      其中f_op是個struct file_operations結構指標，在sock_map_fd中將其指向socket_file_ops，其定義如下（/net/socket.c）：
      static struct file_operations socket_file_ops = {
      llseek: sock_lseek,
      read: sock_read,
      write: sock_write,
      poll: sock_poll,
      ioctl: sock_ioctl,
      mmap: sock_mmap,
      open: sock_no_open, /* special open code to disallow open via /proc */
      release: sock_close,
      fasync: sock_fasync,
      readv: sock_readv,
      writev: sock_writev
      };

      此時wirte函數指標顯然指向了sock_write，我們跟下去看,此函數將一個字串緩衝整理成struct msghdr，最後調用了sock_sendmsg.

      sock_sendmsg中的scm_send我不瞭解（scm是Socket level control messages的簡寫），好在它也不是很關鍵，我們注意到這句：
      ...
      sock->ops->sendmsg(sock, msg, size, &scm);
      ...

      又是個函數指標，sock->ops在inet_create（）函數中被初始化，由於我們我們是UDP的通訊端，sock->ops指向了inet_dgram_ops（即sock->ops = &inet_dgram_ops;），其定義在net/ipv4/Af_inet.c中：
      struct proto_ops inet_dgram_ops = {
      family: PF_INET,

      release: inet_release,
      bind: inet_bind,
      connect: inet_dgram_connect,
      socketpair: sock_no_socketpair,
      accept: sock_no_accept,
      getname: inet_getname,
      poll: datagram_poll,
      ioctl: inet_ioctl,
      listen: sock_no_listen,
      shutdown: inet_shutdown,
      setsockopt: inet_setsockopt,
      getsockopt: inet_getsockopt,
      sendmsg: inet_sendmsg,
      recvmsg: inet_recvmsg,
      mmap: sock_no_mmap,
      };

      因此我們要看得便是inet_sendmsg（）函數了，而馬上，這個函數又通過函數指標調用了另一函數：
      ...
      sk->prot->sendmsg(sk, msg, size);
      ...

      我們不得不再次尋找其具體指向。看到這裡，說點題外話，怎麼才能找到其具體定義呢？我一般是這樣:對上例而言，sk是個struct sock結構，到其定義（linux/net/sock.h中）出看到prot是個struct proto結構，此時我們便在原始碼樹中尋找所有此結構的執行個體（這些諸如跳到定義，尋找引用等工作在source insight中實在太方便快速了^_^）,很快便會發現諸如udp_prot，tcp_prot，raw_prot等，猜測是用了udp_prot,便再找一下它在原始碼中的引用情況，果然發現在inet_create中有這麼一句：
      ...
      prot=&udp_prot;
      ...

      其實如果前面看inet_create函數時仔細一點會早點發現了，但我總沒有這麼細心:)。

      我們順著udp_sendmsg往下走：
      在這個函數的主要作用是填充UDP頭（源連接埠，目的連接埠等），接著調用了
      ip_route_output，作用是尋找出去的路由，而後：
      ...
      ip_build_xmit(sk,
      (sk->no_check == UDP_CSUM_NOXMIT ?
      udp_getfrag_nosum :
      udp_getfrag),
      &ufh, ulen, &ipc, rt, msg->msg_flags);
      ...

      ip_build_xmit函數的很大比例是產生sk_buff,並為資料包加入IP頭。
      後面有這麼一句：
      ...
      NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT, skb, NULL, rt->u.dst.dev,output_maybe_reroute);
      ...

      簡單的說，在沒有防火牆代碼幹預的情況下，你可以將此處理解為直接調用output_maybe_reroute，（具體可參看綠盟月刊14期中的《核心防火牆netfilter入門 》）
      而output_maybe_reroute中只有一句：
      return skb->dst->output(skb);

      依舊照上面的方法（不過這個確實不太好找），發現其實這個指標是在ip_route_output中指定的，（提示：ip_route_output_slow中：rth->u.dst.output=ip_output;）,ip_route_output的作用便是尋找路由，並將結果記錄到skb->dst中。

      於是，我們開始看ip_output函數了，而它馬上又走向了ip_finish_output～～。
      每個網路裝置，如網卡，在核心中由一個net_device表示，在ip_finish_output中找到其用到的裝置（也是在ip_route_output中初始化的），這個參數在會傳給netfilter在NF_IP_POST_ROUTING點登記的函數，結束後調用ip_finish_output2，而這個函數中又會調用：
      ...
      hh->hh_output(skb);
      ...

      閑話少敘，實際調用了dev_queue_xmit，到此我們完成了TCP/IP層的工作，開始資料連結層的處理。

      在做了一些判斷之後，實際的調用是這句：
      ...
      dev->hard_start_xmit(skb, dev);
      ...

      這個函數是在網卡的驅動程式中定義的，每個不同的網卡有不同的處理，我的網卡是比較通用的3c509（其驅動程式是3c509.c),在網卡處理化的時候（el3_probe），有：
      ...
      dev->hard_start_xmit = &el3_start_xmit;
      ...

      再往下便是IO操作，將資料包真正的發到網路上去，至此發送過程結束。

      中間我說的有些草率，完全沒顧的上中間的如出錯，阻塞，分區等特殊處理，只是將理想的流程說明出來。
      這篇短文的目的也只是協助大家建立個大致的印象，其實每個地方的都有非常複雜的處理（尤其是TCP部分）。

      2.3 接受資料

      當有資料到達網卡的時候，會產生一個硬體中斷，然後調用網路卡驅動程式中的函數來處理，對我的3c509網卡來說，其處理函數為：el3_interrupt。（相應的IRQ號是在系統啟動，網卡初始化時通過request_irq函數決定的。）這個中斷處理常式首先要做的當然就是進行一些IO操作將資料讀入（讀IO用inw函數），當資料幀成功接受後，執行el3_rx(dev)進一步處理。

      在el3_rx中，收到的資料報會被封裝成struct sk_buff，並脫離驅動程式，轉到通用的處理函數netif_rx（dev.c）中。為了CPU的效率，上層的處理函數的將採用非強制中斷的方式啟用，netif_rx的一個重要工作就是將傳入的sk_buff放到等候隊列中，共置非強制中斷標誌位，然後便可放心返回，等待下一次網路資料包的到來：
      ...
      __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue,skb);
      __cpu_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ);
      ...

      這個地方在2.2核心中一直被稱為/"底半/"處理--bottom half,其內部實現基本類似，目的是快速的從中斷中返回。

      過了一段時間後，一次CPU調度會由於某些原因會發生（如某進程的時間片用完）。在進程調度函數即schedule()中，會檢查有沒有非強制中斷發生，若有則運行相應的處理函數:
      ...
      if (softirq_active(this_cpu) & softirq_mask(this_cpu))
      goto handle_softirq;
      handle_softirq_back:
      ...
      ...
      handle_softirq:
      do_softirq();
      goto handle_softirq_back;
      ...

      在系統初始化的時候，具體說是在net_dev_init中，此非強制中斷的處理函數被定為net_rx_action：
      ...
      open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL);
      ...

      當下一次進程調度被執行的時候，系統會檢查是否發生NET_TX_SOFTIRQ非強制中斷，若有則調用net_rx_action。

      net_tx_action函數既是2.2版本中的net_bh函數,在核心中有兩個全域變數用來登記網路層的，一個是鏈表ptype_all，另外一個是數組ptype_base[16]，他們記載了所有核心能夠處理的第三層（按照OSI7層模型）協議。每個網路層的接收處理由一個
      struct packet_type表示，而這個結構將通dev_add_pack函數將他們登記到ptype_all或ptype_base中。只有packet_type中的type項為ETH_P_ALL時，才會登記到ptype_all鏈表中，否則如ip_packet_type，會在數組ptype_base[16]找到相應的位置。兩者不同點是如果是以ETH_P_ALL類型登記,那麼處理函數會受到所有類型的包，否則只能處理自己登記的類型的。

      skb->protocol是在el3_rx中賦值的，其實就是以太幀頭資訊中提取出的上層協議名，對於我們的例子來說，這個值是ETH_P_IP，所以在net_tx_action中，會選擇IP層的接收處理函數，而從ip_packet_type 不難看出，這個函數便是ip_recv（）。
      pt_prev->func（實際指向ip_recv）前面有一個atomic_inc(&skb->users)操作（在2.2核心中這個地方是一句skb_clone，原理類似），目的是增加這個sk_buff的引用數。網路層的接收函數在處理完或因為某些原因要丟棄此sk_buff時（如防火牆）會調用kfree_skb，而kfree_skb中首先會檢查是否還有其他地方需要此函數，如果沒有地方再用，才真正釋放此記憶體（__kfree_skb），否則只是計數器減一。

      現在我們便來看看ip_recv（net/ipv4/ip_input.c）。這個函數的操作是非常清晰的:首先檢查這個包的合法性（版本號碼，長度，校正和等是否正確），如果合法則進行接下來的處理。在2.4核心中，為了靈活處理防火牆代碼，將原來的一個ip_recv分成了兩部分，即將將原來的的ip_recv的後半段獨立出一個ip_rcv_finish函數。在ip_rcv_finish中，一部分是帶有IP選項（如源路由等）的IP包，例外就是通過ip_route_input尋找路由，並將結果記錄到skb->dst中。此時接收到的包有兩種，發往本地進程（需要傳往上層協議）或轉寄（用作網關時），此時需要的處理函數也不相同，如果傳往本地，則調用ip_local_deliver(/net/ipv4/ip_input.c),否則調用ip_forward(/net/ipv4/ip_forward.c).skb->dst->input這個函數指標會將資料報領上正確的道路。

      對我們的例子而言，此時應該是調用ip_local_deliver的時候了。
      發來的包很有可能是片段包，這樣的話則首先應該把它們組裝好再傳給上層協議，這當然也是ip_local_deliver函數所做的第一份工作，如果組裝成功（返回的sk_buff不為空白），則繼續處理（詳細的組裝演算法可參見綠盟月刊13期中的《IP分區重組的分析和常見片段攻擊》）。
      但此時代碼又被netfilter一分為二了，象前面一樣，我們直接到後半段，即ip_local_deliver_finish(/net/ipv4/ip_input.c)中去。

      傳輸層（如TCP,UDP，RAW）的處理被登記到了inet_protos中（通過inet_add_protocol）。ip_local_deliver_finish會根據IP頭資訊中的上層協議資訊（即iph->protocol），調用相應的處理函數。為了簡便，我們採用了udp,此時的ipprot->handler實際便是udp_rcv了。

      前面已經提到，在應用程式中建立的每個socket在核心中有一個struct socket/struct sock對應。udp_rcv會通過udp_v4_lookup首先找到在核心中的sock,然後將其作參數調用udp_queue_rcv_skb（/net/ipv4/udp.c）。馬上，sock_queue_rcv_skb函數被調用，此函數將sk_buff放入等待隊列，然後通知上層資料到達：
      ...
      kb_set_owner_r(skb, sk);
      skb_queue_tail(&sk->receive_queue, skb);
      if (!sk->dead)
      sk->data_ready(sk,skb->len);
      return 0;
      ...

      sk->data_ready的定義在sock結構初始化的時候（sock_init_data）：
      ...
      sk->data_ready=sock_def_readable;
      ...

      現在我們便要從上往下看起了：
      進程B要接收資料報，在程式裡調用：
      ...
      read(sockfd,buff,sizeof(buff));
      ...

      此系統調用在核心中的函數是sys_read(fs/read_write.c)以下的處理類似write的操作，不再詳述.udp_recvmsg函數會調用skb_recv_datagram，如果資料還沒有到達，且socket設為阻塞模式時，進程會掛起（signal_pending(current)），直到data_ready通知進程資源得到滿足後繼續處理（wake_up_interruptible(sk->sleep);）。

      2.4 skbuff

      網路代碼中有大量的處理涉及對sk_buff的操作，儘管此文中盡量將其迴避了，但在仔細分析的時候則必須對此作分析，資料包在網路通訊協定層是以sk_buff的形式傳送處理的，可以說它是網路部分最重要的資料結構。具體分析建議參看alan cox的《Network Buffers And Memory Management》，這篇發表在1996年10月的linux journal上。

      這裡引用phrack 55-12期中的一幅圖,儘管它只描繪了sk_buff的極小的一個側面，但卻非常有用，尤其是當你像我一樣總忘記了skb_put是向前還是向後調指標的時候：）

      --- -----------------head
      ^ | |
      | | | ^ skb_push
      | | | |
      | -----------------data--- ---
      | | | ^ |
      true | | | v skb_pull
      size | | len
      | | | | ^ skb_trim
      | | | v |
      | -----------------tail--- ---
      | | | |
      | | | v skb_put
      v | |
      --- -----------------end

      linux網路層效率：在linux的網路層代碼中指標被大量應用，其目的就是避免資料拷貝這類耗費系統資源的操作。一個資料包的資料區段部分在讀入或發出時只經過兩次拷貝，即從網卡中考到核心態記憶體，和從核心態記憶體考到使用者態記憶體。前些天看到，在一些提高sniffer抓包效率的嘗試中，turbo packet(一個核心補丁)採用了核心態和
      使用者態共用一段記憶體的辦法，又減少了一次資料拷貝，進一步提高了效率。

      3 後記：
      這次的投稿又是到了最後關頭倉促寫出來的，看著裡面拙劣的文筆，實在覺得有點對不住觀眾～～如果有時間我會把這部分好好重寫的，其實這也是我一直的願望：）

      發布人:Crystal 來自:linux支援人員網站