Linux网络 – 数据包的发送过程

socket层

  1.                +————-+
  2.                | Application |
  3.                +————-+
  4.                      |
  5.                      |
  6.                      ↓
  7. +——————————————+
  8. | socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP) |
  9. +——————————————+
  10.                      |
  11.                      |
  12.                      ↓
  13.            +——————-+
  14.            | sendto(sock, …) |
  15.            +——————-+
  16.                      |
  17.                      |
  18.                      ↓
  19.               +————–+
  20.               | inet_sendmsg |
  21.               +————–+
  22.                      |
  23.                      |
  24.                      ↓
  25.              +—————+
  26.              | inet_autobind |
  27.              +—————+
  28.                      |
  29.                      |
  30.                      ↓
  31.                +———–+
  32.                | UDP layer |
  33.                +———–+
  • socket(…)： 创建一个socket结构体，并初始化相应的操作函数，由于我们定义的是UDP的socket，所以里面存放的都是跟UDP相关的函数
  • sendto(sock, …)： 应用层的程序(Application)调用该函数开始发送数据包，该函数数会调用后面的inet_sendmsg
  • inet_sendmsg： 该函数主要是检查当前socket有没有绑定源端口，如果没有的话，调用inet_autobind分配一个，然后调用UDP层的函数
  • inet_autobind： 该函数会调用socket上绑定的get_port函数获取一个可用的端口，由于该socket是UDP的socket，所以get_port函数会调到UDP代码里面的相应函数。

UDP层

  1.      |
  2.             |
  3.             ↓
  4.      +————-+
  5.      | udp_sendmsg |
  6.      +————-+
  7.             |
  8.             |
  9.             ↓
  10.  +———————-+
  11.  | ip_route_output_flow |
  12.  +———————-+
  13.             |
  14.             |
  15.             ↓
  16.      +————-+
  17.      | ip_make_skb |
  18.      +————-+
  19.             |
  20.             |
  21.             ↓
  22. +————————+
  23. | udp_send_skb(skb, fl4) |
  24. +————————+
  25.             |
  26.             |
  27.             ↓
  28.        +———-+
  29.        | IP layer |
  30.        +———-+
  • udp_sendmsg： udp模块发送数据包的入口，该函数较长，在该函数中会先调用ip_route_output_flow获取路由信息(主要包括源IP和网卡)，然后调用ip_make_skb构造skb结构体，最后将网卡的信息和该skb关联。
  • ip_route_output_flow： 该函数会根据路由表和目的IP，找到这个数据包应该从哪个设备发送出去，如果该socket没有绑定源IP，该函数还会根据路由表找到一个最合适的源IP给它。 如果该socket已经绑定了源IP，但根据路由表，从这个源IP对应的网卡没法到达目的地址，则该包会被丢弃，于是数据发送失败，sendto函数将返回错误。该函数最后会将找到的设备和源IP塞进flowi4结构体并返回给udp_sendmsg
  • ip_make_skb： 该函数的功能是构造skb包，构造好的skb包里面已经分配了IP包头，并且初始化了部分信息(IP包头的源IP就在这里被设置进去)，同时该函数会调用__ip_append_dat，如果需要分片的话，会在__ip_append_data函数中进行分片，同时还会在该函数中检查socket的send buffer是否已经用光，如果被用光的话，返回ENOBUFS
  • udp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb里面填充UDP的包头，同时处理checksum，然后调用IP层的相应函数。

IP层

  1.         |
  2.          |
  3.          ↓
  4.   +————-+
  5.   | ip_send_skb |
  6.   +————-+
  7.          |
  8.          |
  9.          ↓
  10.  +——————-+       +——————-+       +—————+
  11.  | __ip_local_out_sk |——>| NF_INET_LOCAL_OUT |——>| dst_output_sk |
  12.  +——————-+       +——————-+       +—————+
  13.                                                                  |
  14.                                                                  |
  15.                                                                  ↓
  16. +——————+        +———————-+       +———–+
  17. | ip_finish_output |<——-| NF_INET_POST_ROUTING |<——| ip_output |
  18. +——————+        +———————-+       +———–+
  19.          |
  20.          |
  21.          ↓
  22.  +——————-+      +——————+       +———————-+
  23.  | ip_finish_output2 |—–>| dst_neigh_output |——>| neigh_resolve_output |
  24.  +——————-+      +——————+       +———————-+
  25.                                                                   |
  26.                                                                   |
  27.                                                                   ↓
  28.                                                           +—————-+
  29.                                                           | dev_queue_xmit |
  30.                                                           +—————-+
  • ip_send_skb： IP模块发送数据包的入口，该函数只是简单的调用一下后面的函数
  • __ip_local_out_sk： 设置IP报文头的长度和checksum，然后调用下面netfilter的钩子
  • NF_INET_LOCAL_OUT： netfilter的钩子，可以通过iptables来配置怎么处理该数据包，如果该数据包没被丢弃，则继续往下走
  • dst_output_sk： 该函数根据skb里面的信息，调用相应的output函数，在我们UDP IPv4这种情况下，会调用ip_output
  • ip_output： 将上面udp_sendmsg得到的网卡信息写入skb，然后调用NF_INET_POST_ROUTING的钩子
  • NF_INET_POST_ROUTING： 在这里，用户有可能配置了SNAT，从而导致该skb的路由信息发生变化
  • ip_finish_output： 这里会判断经过了上一步后，路由信息是否发生变化，如果发生变化的话，需要重新调用dst_output_sk(重新调用这个函数时，可能就不会再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函数里，这里有可能是xfrm4_transport_output)，否则往下走
  • ip_finish_output2： 根据目的IP到路由表里面找到下一跳(nexthop)的地址，然后调用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表里面找下一跳的neigh信息，没找到的话会调用__neigh_create构造一个空的neigh结构体
  • dst_neigh_output： 在该函数中，如果上一步ip_finish_output2没得到neigh信息，那么将会走到函数neigh_resolve_output中，否则直接调用neigh_hh_output，在该函数中，会将neigh信息里面的mac地址填到skb中，然后调用dev_queue_xmit发送数据包
  • neigh_resolve_output： 该函数里面会发送arp请求，得到下一跳的mac地址，然后将mac地址填到skb中并调用dev_queue_xmit

netdevice子系统

  1.                       |
  2.                         |
  3.                         ↓
  4.                  +—————-+
  5. +—————-| dev_queue_xmit |
  6. |                +—————-+
  7. |                       |
  8. |                       |
  9. |                       ↓
  10. |              +—————–+
  11. |              | Traffic Control |
  12. |              +—————–+
  13. | loopback              |
  14. |   or                  +————————————————————–+
  15. | IP tunnels            ↓                                                              |
  16. |                       ↓                                                              |
  17. |            +———————+  Failed   +———————-+         +—————+
  18. +———–>| dev_hard_start_xmit |———->| raise NET_TX_SOFTIRQ |- – – – >| net_tx_action |
  19.              +———————+           +———————-+         +—————+
  20.                         |
  21.                         +———————————-+
  22.                         |                                  |
  23.                         ↓                                  ↓
  24.                 +—————-+              +————————+
  25.                 | ndo_start_xmit |              | packet taps(AF_PACKET) |
  26.                 +—————-+              +————————+
  • dev_queue_xmit： netdevice子系统的入口函数，在该函数中，会先获取设备对应的qdisc，如果没有的话(如loopback或者IP tunnels)，就直接调用dev_hard_start_xmit，否则数据包将经过Traffic Control模块进行处理
  • Traffic Control： 这里主要是进行一些过滤和优先级处理，在这里，如果队列满了的话，数据包会被丢掉，详情请参考文档，这步完成后也会走到dev_hard_start_xmit
  • dev_hard_start_xmit： 该函数中，首先是拷贝一份skb给“packet taps”，tcpdump就是从这里得到数据的，然后调用ndo_start_xmit。如果dev_hard_start_xmit返回错误的话(大部分情况可能是NETDEV_TX_BUSY)，调用它的函数会把skb放到一个地方，然后抛出软中断NET_TX_SOFTIRQ，交给软中断处理程序net_tx_action稍后重试(如果是loopback或者IP tunnels的话，失败后不会有重试的逻辑)
  • ndo_start_xmit： 这是一个函数指针，会指向具体驱动发送数据的函数

Device Driver

ndo_start_xmit会绑定到具体网卡驱动的相应函数，到这步之后，就归网卡驱动管了，不同的网卡驱动有不同的处理方式，这里不做详细介绍，其大概流程如下：

  1. 将skb放入网卡自己的发送队列
  2. 通知网卡发送数据包
  3. 网卡发送完成后发送中断给CPU
  4. 收到中断后进行skb的清理工作

在网卡驱动发送数据包过程中，会有一些地方需要和netdevice子系统打交道，比如网卡的队列满了，需要告诉上层不要再发了，等队列有空闲的时候，再通知上层接着发数据。

其它

  • SO_SNDBUF: 从上面的流程中可以看出来，对于UDP来说，没有一个对应send buffer存在，SO_SNDBUF只是一个限制，当这个socket分配的skb占用的内存超过这个值的时候，会返回ENOBUFS，所以说只要不出现ENOBUFS错误，把这个值调大没有意义。从sendto函数的帮助文件里面看到这样一句话：(Normally, this does not occur in Linux. Packets are just silently dropped when a device queue overflows.)。这里的device queue应该指的是Traffic Control里面的queue，说明在linux里面，默认的SO_SNDBUF值已经够queue用了，疑问的地方是，queue的长度和个数是可以配置的，如果配置太大的话，按道理应该有可能会出现ENOBUFS的情况。
  • txqueuelen: 很多地方都说这个是控制qdisc里queue的长度的，但貌似只是部分类型的qdisc用了该配置，如linux默认的pfifo_fast。
  • hardware RX: 一般网卡都有一个自己的ring queue，这个queue的大小可以通过ethtool来配置，当驱动收到发送请求时，一般是放到这个queue里面，然后通知网卡发送数据，当这个queue满的时候，会给上层调用返回NETDEV_TX_BUSY
  • packet taps(AF_PACKET): 当第一次发送数据包和重试发送数据包时，都会经过这里，如果发生重试的情况的话，不确定tcpdump是否会抓到两次包，按道理应该不会，可能是我哪里没看懂