Linux内核2.4.x的网络接口结构（转）

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四.网络接口核心部分

刚才谈论了驱动程序怎么和网络接口核心层衔接的。网络接口核心层知道驱动程序以及驱动程序的函数的入口是通过*dev_base指向的设备链的，而下层是通过调用这一层的函数netif_rx()(net/core/dev.c1214行) 把数据传递个这一层的。

网络接口核心层的上层是具体的网络协议，下层是驱动程序，我们已经解决了下层的关系，但和上层的关系没有解决。先来讨论一下网络接口核心层和网络协议族部份的关系，这种关系不外乎也是接收和发送的关系。

网络协议，例如IP，ARP等的协议要发送数据包的时候会把数据包传递给这层(网络接口核心层)，那么这种传递是通过什么函数来发生的呢？网络接口核心层通过dev_queue_xmit()(net/core/dev.c,line975)这个函数,向上层提供统一的发送接口，也就是说无论是IP，还是ARP协议，通过这个函数把要发送的数据传递给这一层，想发送数据的时候调用这个函数就可以了。dev_queue_xmit()做的工作最后会落实到dev->hard_start_xmit()，而dev->hard_start_xmit()会调用实际的驱动程序来完成发送的任务。例如上面的例子中，调用dev->hard_start_xmit()实际就是调用了el_start_xmit()。

现在讨论接收的情况。网络接口核心层通过的函数netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)接收了下层发送来的数据，这时候当然要把数据包往上层派送。所有的协议族的下层协议都需要接收数据，TCP/IP的IP协议和ARP协议，SPX/IPX的IPX协议，Appletalk的DDP和AARP协议等都需要直接从网络接口核心层接收数据，网络接口核心层接收数据是如何把包发给这些协议的呢？这时的情形，与该层和其下层的关系很相似，网络接口核心层的下面可能有许多的网卡驱动程序，为了知道怎么向这些驱动程序发数据，前面已经讲过，是通过*dev_base这个指针指向的链解决的。现在解决和上层的关系，是通过static struct packet_ptype_base[16]( net/core/dev.c line 164)这个数组解决的。这个数组包含了需要接收数据包的协议，以及它们的接收函数的入口。

从上面可以看到，IP协议接收数据是通过ip_rcv()函数的，而ARP协议是通过arp_rcv()的，网络接口核心层只要通过这个数组就可以把数据交给上层函数了。

如果，有协议想把自己添加到这个数组，是通过dev_add_pack()(net/core/dev.c, line233)函数添加；从数组删除，则是通过dev_remove_pack()函数的。Ip层的注册是在初始化函数进行的

void __initip_init(void) (net/ipv4/ip_output.c, line 1003) { ……… dev_add_pack(&ip_packet_type); ……… }

重新倒回我们关于接收的讨论，网络接include口核心层通过的函数netif_rx()(net/core/dev.c 1214行)接收了上层发送来的数据，看看这个函数做了些什么。

由于现在还是在中断的服务里面，所以并不能够处理太多的东西，剩下的东西就通过CPU_raise_softirq(this_cpu, NET_RX_SOFTIRQ)交给软中断处理， 从open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL)可以知道NET_RX_SOFTIRQ软中断的处理函数是net_rx_action()(net/core/dev.c, line 1419)。net_rx_action()根据数据包的协议类型在数组ptype_base[16]里找到相应的协议，并从中知道了接收的处理函数，然后把数据包交给处理函数，这样就交给了上层处理，实际调用处理函数是通过net_rx_action()里的pt_prev->func()这一句。例如如果数据包是IP协议的话，ptype_base[ETH_P_IP]->func()(ip_rcv()),这样就把数据包交给了IP协议。

 

五.网络协议部分

协议层是真正实现是在这一层。在Linux/include/linux/socket.h里面，Linux的BSD Socket定义了多至32种支持的协议族，其中PF_INET就是我们最熟悉的TCP/IP协议族(IPv4, 以下没有特别声明都指IPv4)。以这个协议族为例，看看这层是怎么工作的。实现TCP/IP协议族的主要文件在Linux/net/ipv4/目录下面，Linux/net/ipv4/af_inet.c为主要的管理文件。

在Linux2.4.16里面，实现了TCP/IP协议族里面的的IGMP,TCP,UDP,ICMP,ARP,IP。我们先讨论一下这些协议之间的关系。IP和ARP协议是需要直接和网络设备接口打交道的协议，也就是需要从网络核心模块(core)接收数据和发送数据的。而其它协议TCP,UDP,IGMP,ICMP是需要直接利用IP协议的，需要从IP协议接收数据，以及利用IP协议发送数据，同时还要向上层Socket层提供直接的调用接口。可以看到IP层是一个核心的协议，向下需要和下层打交道，又要向上层提供所有的传输和接收的服务。

先来看看IP协议层。网络核心模块(core) 如果接收到IP层的数据，通过ptype_base[ETH_P_IP] 数组的IP层的项指向的IP协议的ip_packet_type->ip_rcv()函数把数据包传递给IP层,也就是说IP层通过这个函数ip_rcv()(linux/net/ipv4/ip_input.c)接收数据的。ip_rcv()这个函数只对IP数据包做了一些checksum的检查工作，如果包是正确的，就把包交给了下一个处理函数ip_rcv_finish()(注意调用是通过NF_HOOK这个宏实现的)。现在，ip_rcv_finish()这个函数真正要完成一些IP层的工作了。IP层要做的主要工作就是路由，要决定把数据包往那里送。路由的工作是通过函数ip_route_input()(/linux/net/ipv4/route.c,line 1622)实现的。对于进来的包可能的路由有这些： 属于本地的数据(即是需要传递给TCP，UDP，IGMP这些上层协议的) ； 需要转发的数据包(网关或者NAT服务器之类的)； 不可能路由的数据包(地址信息有误)； 我们现在关心的是如果数据是本地数据的时候怎么处理。ip_route_input()调用ip_route_input_slow()(net/ipv4/route.c, line 1312)，在ip_route_input_slow()里面 的1559行rth->u.dst.input=ip_local_deliver，这就是判断到IP包是本地的数据包，并把本地数据包处理函数的地址返回。好了，路由工作完成了，返回到ip_rcv_finish()。ip_rcv_finish()最后调用了skb->dst->input(skb)，从上面可以看到，这其实就是调用了ip_local_deliver()函数，而ip_local_deliver()接着就调用了ip_local_deliver_finish()。现在真正到了往上层传递数据包的时候了。

现在的情形和网络核心模块层(core) 往上层传递数据包的情形非常相似,怎么从多个协议选择合适的协议，并且往这个协议传递数据呢？网络网络核心模块层(core) 通过一个数组ptype_base[16]保存了注册了的所有可以接收数据的协议，同样网络协议层也定义了这样一个数组struct net_protocol*inet_protos[MAX_INET_PROTOS](/linux/net/ipv4/protocol.C#L102),它保存了所有需要从IP协议层接收数据的上层协议(IGMP，TCP，UDP，ICMP)的接收处理函数的地址。我们来看看TCP协议的数据结构是怎么样的：

／* 　　linux/net/ipv4/protocol.c line67 */ 　　static struct inet_protocol tcp_protocol = { 　　handler: tcp_v4_rcv,// 接收数据的函数 　　err_handler: tcp_v4_err,// 出错处理的函数 　　next: IPPROTO_PREVIOUS, 　　protocol: IPPROTO_TCP, 　　name: "TCP" 　　};

第一项就是我们最关心的了，IP层可以通过这个函数把数据包往TCP层传的。在linux/net/ipv4/protocol.c的上部，我们可以看到其它协议层的处理函数是igmp_rcv(),udp_rcv(), icmp_rcv()。同样在linux/net/ipv4/protocol.c，往数组inet_protos[MAX_INET_PROTOS] 里面添加协议是通过函数inet_add_protocol()实现的，删除协议是通过 inet_del_protocol()实现的。inet_protos[MAX_INET_PROTOS]初始化的过程在linux/net/ipv4/af_inet.c inet_init()初始化函数里面。

inet_init(){ 　　…… 　　printk(KERN_INFO "IP Protocols: "); 　　for (p = inet_protocol_base; p != NULL { 　　struct inet_protocol *tmp = (struct inet_protocol *) p->next; 　　inet_add_protocol(p);// 添加协议 　　printk("%s%s",p->name,tmp?", ":"/n"); 　　p = tmp; 　　……… 　　}

如果你在Linux启动的时候有留意启动的信息, 或者在linux下打命令dmesg就可以看到这一段程序输出的信息： IP Protocols： ICMP，UDP，TCP，IGMP也就是说现在数组inet_protos[]里面有了ICMP

UDP，TCP，IGMP四个协议的inet_protocol数据结构，数据结构包含了它们接收数据的处理函数。

Linux 2.4.16在linux/include/linux/socket.h里定义了32种支持的BSD socket协议 ，常见的有TCP/IP,IPX/SPX,X.25等，而每种协议还提供不同的服务，例如TCP/IP协议通过TCP协议支持连接服务，而通过UDP协议支持无连接服务，面对这么多的协议，向用户提供统一的接口是必要的，这种统一是通过socket来进行的。

在BSD socket网络编程的模式下，利用一系列统一的函数来利用通信的服务。例如一个典型的利用TCP协议通信程序是这样：

sock_descriptor = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); 　　connect(sock_descriptor, 地址，) ； 　　send(sock_descriptor,”hello world”); 　　recv(sock_descriptor,buffer,1024,0);

第一个函数指定了协议Inet协议，即TCP/IP协议，同时是利用面向连接的服务，这样就对应到TCP协议，以后的操作就是利用socket的标准函数进行的。

从上面我们可以看到两个问题，首先socket层需要根据用户指定的协议族(上面是AF_INET)，从下面32种协议中选择一种协议来完成用户的要求，当协议族确定以后，还要把特定的服务映射到协议族下的具体协议，例如当用户指定的是面向连接的服务时，Inet协议族会映射到TCP协议。

从多个协议中选择用户指定的协议，并把具体的出理交给选中的协议，这和网络核心层向上和向下衔接的问题本质上是一样的，所以解决的方法也是一样的，同样还是通过数组。在Linux/net/socket.c定义了这个数组staticstruct net_proto_family *net_families[NPROTO] 。数组的元素已经确定了，net_families[2] 是TCP/IP协议，net_families[3]是X.25协议，具体那一项对应什么协议，在include/linux/socket.h有定义。但是每一项的数据结构net_proto_family的ops是空的，也就是具体协议处理函数的地址是不知道的。协议的处理函数和ops建立联系是通过sock_reGISter()(Linux/net/socket.c)这个函数建立的，例如TCP/IP协议的是这样建立关系的：

int __init inet_init(void) ／* (net/ipv4/af_inet.c) */ 　　{ 　　(void) sock_register(&inet_family_ops); 　　}

只要给出AF_INET(在宏里定义是2)，就可以找到net_failies[2] 里面的处理函数了 。

协议的映射完成了，现在要进行服务的映射了。上层当然不可能知道下层的什么协议能对应特定的服务，所以这种映射自然由协议族自己完成。在TCP/IP协议族里，这种映射是通过struct list_head inetsw[SOCK_MAX]( net/ipv4/af_inet.c)这个数组进行映射的，在谈论这个数组之前我们来看另外一个数组：

inetsw_array[] (net/ipv4/af_inet.c) 　　static struct inet_protosw inetsw_array[] = 　　{ 　　 { 　　 type: SOCK_STREAM, 　　 protocol: IPPROTO_TCP, 　　 prot: &tcp_prot, 　　 ops: &inet_stream_ops, 　　 capability: -1, 　　 no_check: 0, 　　 flags: INET_PROTOSW_PERMANENT, 　　 }, 　　 { 　　 type: SOCK_DGRAM, 　　 protocol: IPPROTO_UDP, 　　 prot: &udp_prot, 　　 ops: &inet_dgram_ops, 　　 capability: -1, 　　 no_check: UDP_CSUM_DEFAULT, 　　 flags: INET_PROTOSW_PERMANENT, 　　 }, 　　 { 　　 type: SOCK_RAW, 　　 protocol: IPPROTO_IP, /* wild card */ 　　 prot: &raw_prot, 　　 ops: &inet_dgram_ops, 　　 capability: CAP_NET_RAW, 　　 no_check: UDP_CSUM_DEFAULT, 　　 flags: INET_PROTOSW_REUSE, 　　 } 　　};

我们看到，SOCK_STREAM映射到了TCP协议，SOCK_DGRAM映射到了UDP协议，SOCK_RA W映射到了IP协议。现在只要把inetsw_array里的三项添加到数组inetsw[SOCK_MAX]就可以了，添加是通过函数inet_reGISter_protosw()实现的。在inet_init()(net/ipv4/af_inet.c) 里完成了这些工作。

还有一个需要映射的就是socket其它诸如accept,send(),connect(),release(),bind()等的操作函数是怎么映射的呢？我们来看一下上面的数组的TCP的项:

{ 　　type: SOCK_STREAM, 　　protocol: IPPROTO_TCP, 　　prot: &tcp_prot, 　　ops: &inet_stream_ops, 　　capability: -1, 　　no_check: 0, 　　flags: INET_PROTOSW_PERMANENT, 　　},

我们看到这种映射是通过ops，和prot来映射的，我们再来看看 tcp_prot这一项：

struct proto tcp_prot = { 　　name: "TCP", 　　close: tcp_close, 　　connect: tcp_v4_connect, 　　disconnect: tcp_disconnect, 　　accept: tcp_accept, 　　ioctl: tcp_ioctl, 　　init: tcp_v4_init_sock, 　　destroy: tcp_v4_destroy_sock, 　　shutdown: tcp_shutdown, 　　setsockopt: tcp_setsockopt, 　　getsockopt: tcp_getsockopt, 　　sendmsg: tcp_sendmsg, 　　recvmsg: tcp_recvmsg, 　　backlog_rcv: tcp_v4_do_rcv, 　　hash: tcp_v4_hash, 　　unhash: tcp_unhash, 　　get_port: tcp_v4_get_port, 　　};

所以的映射都已经完成了，用户调用connect()函数，其实就是调用了tcp_v4_connect()函数，按照这幅图，读起源码来就简单了很多了。

六 Socket层

上一节把socket层大多数要讨论的东西都谈论了，现在只讲讲socket 层和用户的衔接。

系统调用socket(),bind(),connect(),accept,send(),release()等是在Linux/net/socket.c里面实现的,系统调用实现的函数是相应的函数名加上sys_的前缀。

现在看看当用户调用socket()这个函数，到底下面发生了什么。

Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)调用了sys_socket(),sys_socket()接着调用socket_creat(),socket_creat()就要根据用户提供的协议族参数在net_families[]里寻找合适的协议族，如果协议族没有被安装就要请求安装该协议族的模块，然后就调用该协议族的create()函数的处理句柄。根据参数AF_INET，inet_creat()就被调用了，在inet_creat()根据服务类型在inetsw[SOCK_MAX]选择合适的协议，并把协议的操作集赋给socket就是了，根据SOCK_STREAM，TCP协议被选中，

inet_creat(){ 　　answer=inetsw [用户要求服务] ； 　　sock->ops = answer->ops; 　　sk->prot = answer->prot 　　}

到此为止，上下都打通了，该是大家读源码的时候了。