linux網路子系統核心分析，linux子系統核心

linux網路子系統核心分析，linux子系統核心

選擇路由　　

　　若要將資料包發至PC2，則linux系統通過查詢路由表可知168.1.1.10（目的地址）的網關地址為192.168.1.1，此時linux系統選擇網卡1發送資料包。

2.鄰居子系統（通過arp協議建立起鄰居的資訊）

　　選擇網卡1發送資料時，首先將資料包發給鄰居（網關），再由鄰居轉寄至後面，若要發送給鄰居，則必須知道鄰居的MAC地址，若不知道鄰居的MAC地址，則需要通過arp請求包擷取鄰居的MAC地址。

 

Linux網路體繫結構由以下五個部分組成 1）系統調用介面 2）協議無關介面 3）網路通訊協定 4）裝置無關介面 5 裝置驅動程式。下面分別簡述五個部分：

    1）系統調用介面

    系統調用介面是使用者空間的應用程式正常訪問核心的唯一合法途徑（終端和陷入也可訪問核心）。如：

    asmlingkage long sys_getpid（void）

    {

    return current->pid;

    }

    系統調用一般由sys開頭 ，前面的修飾符是asmlingkage，表示函數由堆棧獲得參數。

    2）協議無關介面

    協議無關介面是由socket來實現的。它提供了一組通用函數來支援各種不同協議。

    通過網路棧進行的通訊都需要對 socket 進行操作。Linux 中的 socket 結構是 struct sock ，這個結構是在 linux/include/net/sock.h 中定義的。這個巨大的結構中包含了特定 socket 所需要的所有狀態資訊，其中包括 socket 所使用的特定協議和在 socket 上可以執行的一些操作。

    網路子系統可以通過一個定義了自己功能的特殊結構來瞭解可用協議。每個協議都維護了一個名為 proto 的結構（可以在 linux/include/net/sock.h 中找到）。這個結構定義了可以在從 socket 層到傳輸層中執行特定的 socket 操作

    3）網路通訊協定

    Linux支援多種網路通訊協定，可以在<linux/socket.h>中查到所支援的網路通訊協定：

    #define AF_UNIX        1    /* Unix domain sockets         */

    #define AF_LOCAL    1    /* POSIX name for AF_UNIX    */

    #define AF_INET        2    /* Internet IP Protocol     */

    #define AF_AX25        3    /* Amateur Radio AX.25         */

    #define AF_IPX        4    /* Novell IPX

    … …

    其中每一個所支援的協議對應net_family[]數組中的一項，net_family[]是結構體指標數組，其中的每一項都是一個結構體指標，指向一個net_proto_family 結構

    struct net_proto_family {

    int family;

    int （*create） （struct socket * sock, int protocol）；

    short authentication;

    short encryption;

    short encrypt_net;

    struct module *owner;

    };這個結構體中註冊了關於協議的資訊。

    4）裝置無關介面

    裝置無關介面是由net_device實現的。任何裝置和上層通訊都是通過net_device裝置無關介面。

    它將協議與具有很多各種不同功能的硬體裝置串連在一起。這一層提供了一組通用函數供底層網路裝置驅動程式使用，讓它們可以對高層協議棧進行操作。

    首先，裝置驅動程式可能會通過調用 register_netdevice 或 unregister_netdevice 在核心中進行註冊或登出。調用者首先填寫 net_device 結構，然後傳遞這個結構進行註冊。核心調用它的 init 函數（如果定義了這種函數），然後執行一組健全性檢查，並建立一個 sysfs 條目，然後將新裝置添加到裝置列表中（核心中的活動裝置鏈表）。在 linux/include/linux/netdevice.h 中可以找到這個 net_device 結構。這些函數都是在 linux/net/core/dev.c 中實現的。

    要從協議層向裝置中發送 sk_buff ，就需要使用 dev_queue_xmit 函數。這個函數可以對 sk_buff 進行排隊，從而由底層裝置驅動程式進行最終傳輸（使用 sk_buff 中引用的 net_device 或 sk_buff->dev 所定義的網路裝置）。dev 結構中包含了一個名為 hard_start_xmit 的方法，其中儲存有發起 sk_buff 傳輸所使用的驅動程式函數。

    報文的接收通常是使用 netif_rx 執行的。當底層裝置驅動程式接收一個報文（包含在所分配的 sk_buff 中）時，就會通過調用 netif_rx 將 sk_buff 上傳至網路層。然後，這個函數通過 netif_rx_schedule 將 sk_buff 在上層協議隊列中進行排隊，供以後進行處理。可以在 linux/net/core/dev.c 中找到 dev_queue_xmit 和 netif_rx 函數。

    5）裝置驅動程式

    網路棧底部是負責管理物理網路裝置的裝置驅動程式。例如，包串口使用的 SLIP 驅動程式以及乙太網路裝置使用的乙太網路驅動程式都是這一層的裝置。

    在進行初始化時，裝置驅動程式會分配一個 net_device 結構，然後使用必須的程式對其進行初始化。這些程式中有一個是 dev->hard_start_xmit ，它定義了上層應該如何對 sk_buff 排隊進行傳輸。這個程式的參數為 sk_buff 。這個函數的操作取決於底層硬體，但是通常 sk_buff 所描述的報文都會被移動到硬體環或隊列中。就像是裝置無關層中所描述的一樣，對於 NAPI 相容的網路驅動程式來說，幀的接收使用了 netif_rx 和 netif_receive_skb 介面。NAPI 驅動程式會對底層硬體的能力進行一些限制。

 

分析核心代碼實現：

1.發送UDP資料包

　　在應用程式中

　　通過socket()函數建立一個socket，然後通過write()函數講資料寫入socket發送出去

　　在核心中：

　　a.在系統調用層和協議無關層中

　　首先通過socket_file_ops結構找出應用程式在核心中的入口，其函數為sock_aio_write，緊接著調用do_sock_write---__sock_sendmsg---__sock_sendmsg_nosec

　　b.在網路通訊協定層中

　　調用udp_sendmsg---ip_route_output_flow（選擇路由）  udp_flush_pending_frames---ip_flush_pending_frames（ip協議入口）---ip_local_out---dst_output---ip_finish_output---ip_finish_output2---arp_generic_ops->neigh_resolve_output(建立鄰居資訊)

　　c.在裝置無關介面中

　　調用dev_queue_ximt---dev_hard_start_xmit

　　d.在驅動程式層中

　　調用ndo_start_xmit

 

2.接收IP資料包

　　在應用程式中

　　通過系統調用recvmsg函數擷取包的內容

　　在核心中：

　　網卡接收到資料包之後發生中斷，通過netif_rx(此處觸發一個非強制中斷，當處理器空閑時再處理)函數將包遞給上層的netif_rx_action(除驅動層之外，上面四層的總入口)，繼續調用netif_receive_skb(判斷由哪個協議處理該包)---deliver_skb，然後將資料包遞交給ip協議層處理（ip_rcv-ip協議棧層處理入口），緊接著有丟給udp協議層處理(udp_rcv-udp協議棧層處理入口)，udp層處理完之後，遞交給sock->ops->recvmsg,即為recvmsg系統調用對應的函數。