ip层和4层的接口实现分析

来源：互联网发布：淘宝小号无忧网编辑：程序博客网时间：2024/05/21 10:40

ip层和4层的接口实现分析

Socket.netCiscoLinux数据结构

首先来看一下基于3层的ipv4以及ipv6实现的一些4层的协议:

ip层和4层的接口实现分析

这里要注意并没有IGMPV6,这是因为在ipv6中,它是作为iCMPv6的一部分实现的.

首先我们要知道输入数据包的ip头中的protocol域标识了,将要传递的4层协议.

我们这里主要介绍的是ip数据包从3层传递到4层的接口(也就是输入帧接口).而输出帧的处理,我前面的blog都已经有介绍,想了解的话,可以去看前面的blog.

先来看主要的数据结构,然后我们会分析ip_local_deliver_finish函数(也就是3层处理的出口函数).

在内核中,每一个4层协议都是一个net_protocol结构体,而内核会在启动的时候将所有的4层协议都注册到一个数组inet_protos中,然后根据数据包的ip头来得到相应的handle函数:

Java代码

struct net_protocol {
///协议的处理函数,也就是将要处理输入数据报的4层协议的处理函数.
int (*handler)(struct sk_buff *skb);
///协议的错误处理函数.
void (*err_handler)(struct sk_buff *skb, u32 info);
///gso相关的两个函数.
int (*gso_send_check)(struct sk_buff *skb);
struct sk_buff *(*gso_segment)(struct sk_buff *skb,
int features);
///主要是被ipsec所使用的两个域
unsigned int no_policy:1,
netns_ok:1;
};

L4的协议都是在linux/in.h这个文件中,都是以IPPROTO开头的一些宏.由于ip头中的4层协议域是8位,因此4层协议的最大数值也就是255.而在内核中,255是rawip, IPPPROTO_RAW:

Java代码

enum {
IPPROTO_IP = 0,
IPPROTO_ICMP = 1,
IPPROTO_IGMP = 2,
IPPROTO_IPIP = 4,
IPPROTO_TCP = 6,
IPPROTO_EGP = 8,
IPPROTO_PUP = 12,
IPPROTO_UDP = 17,
IPPROTO_IDP = 22,
IPPROTO_DCCP = 33,
IPPROTO_RSVP = 46,
IPPROTO_GRE = 47,
IPPROTO_IPV6 = 41,
IPPROTO_ESP = 50,
IPPROTO_AH = 51,
IPPROTO_BEETPH = 94,
IPPROTO_PIM = 103,
IPPROTO_COMP = 108,
IPPROTO_SCTP = 132,
IPPROTO_UDPLITE = 136,
IPPROTO_RAW = 255,
IPPROTO_MAX
};

这里要上面列出的协议,并不是所有的都在内核态handle的,其中一些经常在用户态handle的例如(IPPROTO_RSVP).

内核是通过inet_add_protocol来添加协议到inet_protos数组中的,相应的还有一个删除方法,我们先来看inet_protos的结构:

ip层和4层的接口实现分析

这里要注意的就是读写inet_protos时,使用的是自旋锁,而只读时,使用的是RCU(Read-CopyUpdate).

然后来看inet_add_protocol的源码:

Java代码

struct net_protocol *inet_protos[MAX_INET_PROTOS] ____cacheline_aligned_in_smp;
///这里只是举两个例子,tcp和udp的协议注册函数.我们这次暂时就不分析tcp和udp的处理函数了(我会在3层结束后,分析4层源码)
static struct net_protocol tcp_protocol = {
.handler = tcp_v4_rcv,
.err_handler = tcp_v4_err,
.gso_send_check = tcp_v4_gso_send_check,
.gso_segment = tcp_tso_segment,
.no_policy = 1,
.netns_ok = 1,
};
static struct net_protocol udp_protocol = {
.handler = udp_rcv,
.err_handler = udp_err,
.no_policy = 1,
.netns_ok = 1,
};
int inet_add_protocol(struct net_protocol *prot, unsigned char protocol)
{
int hash, ret;
///计算当前协议在数组中的slot.
hash = protocol & (MAX_INET_PROTOS - 1);
///使用自旋锁.
spin_lock_bh(&inet_proto_lock);
if (inet_protos[hash]) {
ret = -1;
} else {
///将相应的prot添加到数组
inet_protos[hash] = prot;
ret = 0;
}
spin_unlock_bh(&inet_proto_lock);
return ret;
}

然后这些协议的注册都是在内核boot的时候在inet_init中初始化的,下面就是inet_init的代码片段.:

Java代码

static int __init inet_init(void)
{
...........................................
if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add ICMP protocol\n");
if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add UDP protocol\n");
if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add TCP protocol\n");
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
if (inet_add_protocol(&igmp_protocol, IPPROTO_IGMP) < 0)
printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add IGMP protocol\n");
#endif
..................................
}

知道协议如何注册之后,我们来分析ip_local_deliver_finish函数,来看3层是如何将数据包发送到4层的.

1 我们知道linux支持raw数据包的发送,因此在这里会对rawsocket进行了特殊处理,它会clone一份数据包然后传递给相应的raw处理函数,然后再继续后面的处理.

2 ipsec.这时还需要加上相应的ipsec头,然后再传给4层处理.看下面的图:

ip层和4层的接口实现分析

Java代码

static int ip_local_deliver_finish(struct sk_buff *skb)
{
///取出相应的net信息.
struct net *net = dev_net(skb->dev);
///下面两个主要是调整data指针,使data指针指向4层的数据开始处.
__skb_pull(skb, ip_hdrlen(skb));
skb_reset_transport_header(skb);
///加rcu锁.
rcu_read_lock();
{
///取出ip头中的协议.
int protocol = ip_hdr(skb)->protocol;
int hash, raw;
struct net_protocol *ipprot;
resubmit:
///得到raw socket, 如果不是raw socket,则返回0.
raw = raw_local_deliver(skb, protocol);
///计算4层协议的slot.
hash = protocol & (MAX_INET_PROTOS - 1);
///rcu读取相应的协议处理结构.
ipprot = rcu_dereference(inet_protos[hash]);
///主要是ipprot是否有被当前主机注册.
if (ipprot != NULL && (net == &init_net || ipprot->netns_ok)) {
int ret;
///判断ipsec,并进行相关处理.
if (!ipprot->no_policy) {
if (!xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_IN, skb)) {
kfree_skb(skb);
goto out;
}
nf_reset(skb);
}
///调用handler,进入相应的4层协议的处理.
ret = ipprot->handler(skb);
if (ret < 0) {
protocol = -ret;
goto resubmit;
}
IP_INC_STATS_BH(net, IPSTATS_MIB_INDELIVERS);
}
................................................
out:
rcu_read_unlock();
return 0;
}

最后来看一下raw socket的处理,通过上面我们知道,会调用raw_local_deliver来进行rawsocket的相关处理(如果没有raw socket,则会直接返回):

当应用程序使用raw ipsocket,他只需要攒递给内核协议id(4层的协议),以及目的地址.因此这里存取sock的hash表使用的key就是4层协议id.

Java代码

///相应的hash表,保存raw socket.
struct raw_hashinfo {
rwlock_t lock;
struct hlist_head ht[RAW_HTABLE_SIZE];
};
static struct raw_hashinfo raw_v4_hashinfo = {
.lock = __RW_LOCK_UNLOCKED(raw_v4_hashinfo.lock),
};
int raw_local_deliver(struct sk_buff *skb, int protocol)
{
int hash;
struct sock *raw_sk;
///通过协议计算hash值(使用4层协议id).
hash = protocol & (RAW_HTABLE_SIZE - 1);
///得到相应的raw_sk.
raw_sk = sk_head(&raw_v4_hashinfo.ht[hash]);
///交给raw socket的处理函数,raw_v4_input中会clone一个skb,然后交给最后的raw_rev函数去处理最终的数据包.
if (raw_sk && !raw_v4_input(skb, ip_hdr(skb), hash))
raw_sk = NULL;
return raw_sk != NULL;
}

0 0