Linux内核路由过程简述 ip_route_output_slow() ip_route_input()

背景

前些日子在IDC实验docker的时候，为了避免与公司网络冲突，将bridge设置为127.x网段的IP，原以为这样就OK，后来发现在访问container内部的服务的时候无法访问。开始以为iptables的问题，搞了半天，后来，才发现系统对127.x.x.x的包根本不会经过bridge。这两天补习了一下linux的路由实现，才彻底明白其中缘由。

其实，关于环回接口，TCP/IP详解中已经描述得很清楚，只是自己没有去仔细阅读而已。

TCP/IP关于环回接口的描述

Linu支持环回接口( Loopback Interface)，以允许运行在同一台主机上的客户程序和服务器程序通TCP/IP进行通信。 A 类网络127就是为环回接口预留的 。根据惯例，大多数系统把IP地址127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost。一个传给环回接口的IP数据报不能在任何网络上出现。实际上，访问127.x.x.x的所有IP都是访问环回接口(lo)。

 

按理来说,一旦传输层检测到目的端地址是环回地址时,应该可以省略部分传输层和所有网络层的逻辑操作。但是大多数的产品还是照样完成传输层和网络层的所有过程,只是当
I P 数据报离开网络层时把它返回给自己。Linux的内核实现就是这样。

 

几个关键点：

（1）传给环回地址(一般是127.0.0.1 )的任何数据均作为IP输入。

（2）传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口,然后送到以太网上。这是因为广播传送和多播传送的定包含主机本身。

（3）任何传给该主机I P地址的数据均送到环回接口 。

 

从上面的描述可以明白，访问127.0.0.1和本机IP（比如192.168.1.10）都是通过lo来完成的。

 

考虑如下路由表：

 

尽管我们为172.16.213.0/24和129.0.0.0/8指定了出口设备(eth0/docker0)，但实际上，数据仍然是通过lo来完成的。

 

Linux的实现

内核默认有两个路由表（不考虑策略路由）：

struct fib_table *ip_fib_local_table;

struct fib_table *ip_fib_main_table;

前者用于本地路由，后都可以由管理员配置。

 

从上面的可以看到，172.16.213.129，127.0.0.0/8都被认为是本机IP。

 

linux在进行路由查找时，先查找local，再查找main：

static inline int fib_lookup(const struct flowi *flp, struct fib_result *res)

{

       if (ip_fib_local_table->tb_lookup(ip_fib_local_table, flp, res) &&

           ip_fib_main_table->tb_lookup(ip_fib_main_table, flp, res))

              return -ENETUNREACH;

       return 0;

}

 

实际上，如果内核认为目标地址是本机IP，就会将包的出口设备设置为loopback_dev（不管路由表将出口设备设置成什么）。

static int ip_route_output_slow(struct rtable **rp, const struct flowi *oldflp)

{

...

       if (res.type == RTN_LOCAL) {

              if (!fl.fl4_src)

                     fl.fl4_src = fl.fl4_dst;

              if (dev_out)

                     dev_put(dev_out);

              dev_out = &loopback_dev;

              dev_hold(dev_out);

              fl.oif = dev_out->ifindex;

              if (res.fi)

                     fib_info_put(res.fi);

              res.fi = NULL;

              flags |= RTCF_LOCAL;

              goto make_route;

       }

整个数据流过程：

 

 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);）。