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Linux网络代码导读v0.2

发布时间:2016-12-4 12:02:07 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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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:       .BSD socket层:这一部分处理BSD socket相关操作,每个socket在内核中以struct socket结构体现。       这一部分的文件主要有:/net/socket.c /net/protocols.c etc       .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。       文件主要有:/net/ipv4/protocol.c /net/ipv4/af_inet.c /net/core/sock.c etc       .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。       文件主要有:/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层:处理网络层的操作,网络层用struct packet_type结构表示。       文件主要有:/net/ipv4/ip_forward.c ip_fragment.c ip_input.c ip_output.c etc.       .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,       驱动程序都在/driver/net目录下。       网络部分还有很多其他文件,如防火墙,路由等,一般根据看到名字便能猜测出相应的处理,此处不再赘述。       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       叙述。       ^       | 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。       TCP处理本身非常复杂,为了便于叙述,在后面我们将用UDP作为例子。       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:       ...       int sockfd;       sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);       ...       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       一句:       ...       net_families[family]->create(sock, protocol);       ...       我们的程序的第一个参数是AF_INET,所以此函数指针会指向inet_create();(net_families是个数组,保留了网络协议族(net families)的信息,而这些协议族用sock_register加载。)       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:       ...       if (sk->prot->init)       sk->prot->init(sk);       ...       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(sockfd,/"Hello/",strlen(/"Hello/"));       ...       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:       ...       if (file->f_op && (write = file->f_op->write) != NULL)       ret = write(file, buf, count, &file->f_pos);       ...       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):       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:       ...       sock->ops->sendmsg(sock, msg, size, &scm);       ...       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:       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:       ...       sk->prot->sendmsg(sk, msg, size);       ...       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:       ...       prot=&udp_prot;       ...       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:       在这个函数的主要作用是填充UDP头(源端口,目的端口等),接着调用了       ip_route_output,作用是查找出去的路由,而后:       ...       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函数的很大比例是生成sk_buff,并为数据包加入IP头。       后面有这么一句:       ...       NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT, skb, NULL, rt->u.dst.dev,output_maybe_reroute);       ...       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 》)       而output_maybe_reroute中只有一句:       return skb->dst->output(skb);       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~~。       每个网络设备,如网卡,在内核中由一个net_device表示,在ip_finish_output中找到其用到的设备(也是在ip_route_output中初始化的),这个参数在会传给netfilter在NF_IP_POST_ROUTING点登记的函数,结束后调用ip_finish_output2,而这个函数中又会调用:       ...       hh->hh_output(skb);       ...       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:       ...       dev->hard_start_xmit(skb, dev);       ...       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:       ...       dev->hard_start_xmit = &el3_start_xmit;       ...       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。       这篇短文的目的也只是帮助大家建立个大致的印象,其实每个地方的都有非常复杂的处理(尤其是TCP部分)。       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:       ...       __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue,skb);       __cpu_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ);       ...       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:       ...       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:       ...       open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL);       ...       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       struct packet_type表示,而这个结构将通dev_add_pack函数将他们登记到ptype_all或ptype_base中。只有packet_type中的type项为ETH_P_ALL时,才会登记到ptype_all链表中,否则如ip_packet_type,会在数组ptype_base[16]找到相应的位置。两者不同点是如果是以ETH_P_ALL类型登记,那么处理函数会受到所有类型的包,否则只能处理自己登记的类型的。       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()。       pt_prev->func(实际指向ip_recv)前面有一个atomic_inc(&skb->users)操作(在2.2内核中这个地方是一句skb_clone,原理类似),目的是增加这个sk_buff的引用数。网络层的接收函数在处理完或因为某些原因要丢弃此sk_buff时(如防火墙)会调用kfree_skb,而kfree_skb中首先会检查是否还有其他地方需要此函数,如果没有地方再用,才真正释放此内存(__kfree_skb),否则只是计数器减一。       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。       发来的包很有可能是碎片包,这样的话则首先应该把它们组装好再传给上层协议,这当然也是ip_local_deliver函数所做的第一份工作,如果组装成功(返回的sk_buff不为空),则继续处理(详细的组装算法可参见绿盟月刊13期中的《IP分片重组的分析和常见碎片攻击》)。       但此时代码又被netfilter一分为二了,象前面一样,我们直接到后半段,即ip_local_deliver_finish(/net/ipv4/ip_input.c)中去。       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:       ...       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的定义在sock结构初始化的时候(sock_init_data):       ...       sk->data_ready=sock_def_readable;       ...       现在我们便要从上往下看起了:       进程B要接收数据报,在程序里调用:       ...       read(sockfd,buff,sizeof(buff));       ...       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:)       --- -----------------head       ^ | |       | | | ^ skb_push       | | | |       | -----------------data--- ---       | | | ^ |       true | | | v skb_pull       size | | len       | | | | ^ skb_trim       | | | v |       | -----------------tail--- ---       | | | |       | | | v skb_put       v | |       --- -----------------end       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       用户态共享一段内存的办法,又减少了一次数据拷贝,进一步提高了效率。

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