最近公司在開發機器人與服務器調度端的通信時需要使用socket，因此找到了該文章作為深刻理解socket內部運作。

Linux網絡核心數據結構是套接字緩存(socket buffer)，簡稱skb。它代表一個要發送或處理的報文，并貫穿于整個協議棧。

1、?? ?套接字緩存
skb由兩部分組成：
(1)?? ?報文數據：它保存了實際在網絡中傳輸的數據；
(2)?? ?管理數據：供內核處理報文的額外數據，這些數據構成了協議之間交換的控制信息。
當應用程序向一個socket傳輸數據之后，該socket將創建相應的套接字緩存，并將用戶數據拷貝到緩存中。當報文在各協議層傳達輸的過程中，每一導的報文頭將插入到用戶數據之前。skb為報文頭申請了足夠的空間，所以避免了由于插入報文頭而對報文進行多次拷貝。用戶數據只拷貝了兩次：一是從用戶空間拷貝到內核；二是報文數據從內核傳送到網絡適配器。
1.1、sk_buff

套接字緩存結構：

[cpp]?view plaincopy

struct?sk_buff?{??

????/*?These?two?members?must?be?first.?*/??

????struct?sk_buff????????*next;????

????struct?sk_buff????????*prev;??

??

????struct?sk_buff_head????*list;????

????struct?sock????????*sk;??????????//指向創建報文的socket??

????struct?timeval????????stamp;??//此報文收到時的時間??

????struct?net_device????*dev;??????????//收到此報文的網絡設備???

????struct?net_device????*input_dev;??

????struct?net_device????*real_dev;??

??

????//TCP報頭??

????union?{????

????????struct?tcphdr????*th;???//tcp頭??

????????struct?udphdr????*uh;??//udp頭??

????????struct?icmphdr????*icmph;??

????????struct?igmphdr????*igmph;??

????????struct?iphdr????*ipiph;??

????????struct?ipv6hdr????*ipv6h;??

????????unsigned?char????*raw;??

????}?h;??

????//IP報頭??

????union?{??

????????struct?iphdr????*iph;??

????????struct?ipv6hdr????*ipv6h;??

????????struct?arphdr????*arph;??

????????unsigned?char????*raw;??

????}?nh;??

????//鏈路層幀頭??

????union?{??

??????????unsigned?char?????*raw;??

????}?mac;??

??

????struct??dst_entry????*dst;??//此報文的路由，路由確定后賦此值??

????struct????sec_path????*sp;??

??

????/*?

?????*?This?is?the?control?buffer.?It?is?free?to?use?for?every?

?????*?layer.?Please?put?your?private?variables?there.?If?you?

?????*?want?to?keep?them?across?layers?you?have?to?do?a?skb_clone()?

?????*?first.?This?is?owned?by?whoever?has?the?skb?queued?ATM.?

?????*/??

????char????????????cb[40];??

??????

????//此報文的長度，這是指網絡報文在不同協議層中的長度，包括頭部和數據。在協議棧的不同層，這個長度是不同的。???

????unsigned?int????????len,??

????????????????data_len,??

????????????????mac_len,??

????????????????csum;??

????unsigned?char????????local_df,??

????????????????cloned,??

????????????????pkt_type,?//網絡報文的類型，常見的有PACKET_HOST，代表發給本機的報文；還有PACKET_OUTGOING，代表本機發出的報文。???

????????????????ip_summed;??

????__u32????????????priority;??

???????

????unsigned?short????????protocol,//鏈路層協議??

????????????????security;??

??

????void????????????(*destructor)(struct?sk_buff?*skb);??

#ifdef?CONFIG_NETFILTER??

????????unsigned?long????????nfmark;??

????__u32????????????nfcache;??

????__u32????????????nfctinfo;??

????struct?nf_conntrack????*nfct;??

#ifdef?CONFIG_NETFILTER_DEBUG??

????????unsigned?int????????nf_debug;??

#endif??

#ifdef?CONFIG_BRIDGE_NETFILTER??

????struct?nf_bridge_info????*nf_bridge;??

#endif??

#endif?/*?CONFIG_NETFILTER?*/??

#if?defined(CONFIG_HIPPI)??

????union?{??

????????__u32????????ifield;??

????}?private;??

#endif??

#ifdef?CONFIG_NET_SCHED??

???????__u32????????????tc_index;????????/*?traffic?control?index?*/??

#ifdef?CONFIG_NET_CLS_ACT??

????__u32???????????tc_verd;???????????????/*?traffic?control?verdict?*/??

????__u32???????????tc_classid;????????????/*?traffic?control?classid?*/??

#endif??

??

#endif??

??

??

????/*?These?elements?must?be?at?the?end,?see?alloc_skb()?for?details.??*/??

??

???????//此報文存儲區的長度，這個長度是16字節對齊的，一般要比報文的長度大??

????unsigned?int????????truesize;??

????atomic_t????????users;??

????/*head和end指向報文數據的整個單元.head與data之間的空間稱為headroom,tail與end之間的空間稱為tailroom.?

????*/??

????unsigned?char????????*head,??

????????????????*data,??

????????????????*tail,??

????????????????*end;??

};??

1.2、與sk_buff相關的函數
與sk_buff相關的函數涉及到網絡報文存儲結構和控制結構的分配、復制、釋放，以及控制結構里的各指針的操作，還有各種標志的檢查。重要的函數說明如下：?

struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size,int gfp_mask )?
分配大小為size的存儲空間存放網絡報文，同時分配它的控制結構。size的值是16字節對齊的，gfp_mask是內存分配的優先級。常見的內存分配優先級有GFP_ATOMIC，代表分配過程不能被中斷，一般用于中斷上下文中分配內存；GFP_KERNEL，代表分配過程可以被中斷，相應的分配請求被放到等待隊列中。分配成功之后，因為還沒有存放具體的網絡報文，所以sk_buff的 data，tail指針都指向存儲空間的起始地址，len的大小為0，而且 is_clone和cloned兩個標記的值都是0。?

struct sk_buff *skb_clone(struct sk_buff *skb, int gfp_mask )?
從控制結構skb中 clone出一個新的控制結構，它們都指向同一個網絡報文。clone成功之后，將新的控制結構和原來的控制結構的 is_clone，cloned兩個標記都置位。同時還增加網絡報文的引用計數（這個引用計數存放在存儲空間的結束地址的內存中，由函數atomic_t *skb_datarefp(struct sk_buff *skb)訪問，引用計數記錄了這個存儲空間有多少個控制結構）。由于存在多個控制結構指向同一個存儲空間的情況，所以在修改存儲空間里面的內容時，先要確定這個存儲空間的引用計數為1，或者用下面的拷貝函數復制一個新的存儲空間，然后才可以修改它里面的內容。?

struct sk_buff *skb_copy(struct sk_buff *skb, int gfp_mask )?
復制控制結構skb和它所指的存儲空間的內容。復制成功之后，新的控制結構和存儲空間與原來的控制結構和存儲空間相對獨立。所以新的控制結構里的is_clone，cloned兩個標記都是0，而且新的存儲空間的引用計數是1。
?
void kfree_skb(struct sk_buff *skb)
釋放控制結構skb和它所指的存儲空間。由于一個存儲空間可以有多個控制結構，所以只有在存儲空間的引用計數為1的情況下才釋放存儲空間，一般情況下，只釋放控制結構skb。?

unsigned char *skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len )?
將tail指針下移，并增加skb的 len值。data和 tail之間的空間就是可以存放網絡報文的空間。這個操作增加了可以存儲網絡報文的空間，但是增加不能使tail的值大于end的值，skb的 len值大于truesize的值。?

unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len )?
將data指針上移，并增加skb的 len值。這個操作在存儲空間的頭部增加了一段可以存儲網絡報文的空間，上一個操作在存儲空間的尾部增加了一段可以存儲網絡報文的空間。但是增加不能使data的值小于head的值，skb的 len值大于truesize的值。?

unsigned char * skb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len )?
將data指針下移，并減小skb的 len值。這個操作使data指針指向下一層網絡報文的頭部。?

void skb_reserve(struct sk_buff *skb, unsigned int len )?
將data指針和tail指針同時下移。這個操作在存儲空間的頭部預留 len長度的空隙。
?
void skb_trim(struct sk_buff *skb, unsigned int len )?
將網絡報文的長度縮減到 len。這個操作丟棄了網絡報文尾部的填充值。?

int skb_cloned(struct sk_buff *skb )?
判斷skb是否是一個 clone的控制結構。如果是clone的，它的cloned標記是1，而且它指向的存儲空間的引用計數大于1。

2、?? ?套接字緩存隊列(Socket-Buffer Queues)
2.1、sk_buff_head
在網絡協議棧的實現中，有時需要把許多網絡報文放到一個隊列中做異步處
理。LINUX 為此定義了相關的數據結構 sk_buff_head。這是一個雙向鏈表的
頭，它把sk_buff鏈接成一個雙向鏈表。

? [cpp]?view plaincopy

//套接字緩存隊列頭??

struct?sk_buff_head?{??

????/*?These?two?members?must?be?first.?*/??

????struct?sk_buff????*next;??

????struct?sk_buff????*prev;??

??

????__u32????????qlen;?//隊列的長度,即隊列中報文的數量??

????spinlock_t????lock;??

};??

2.2、與 sk_buff_head相關的函數
void skb_queue_head(struct sk_buff_head *list, struct sk_buff *newsk )?
將newsk加到鏈表 list的頭部。?

void skb_queue_tail(struct sk_buff_head *list, struct sk_buff *newsk)
將newsk加到鏈表 list的尾部。?

struct sk_buff *skb_dequeue(struct sk_buff_head *list )?
從鏈表 list的頭部取下一個 sk_buff。?

struct sk_buff *skb_dequeue_tail(struct sk_buff_head *list )?
從鏈表 list的尾部取下一個 sk_buff。
?
skb_insert(struct sk_buff *old, struct sk_buff *newsk )?
將newsk加到old所在的鏈表上，并且 newsk在old的前面。
?
void skb_append(struct sk_buff *old, struct sk_buff *newsk )?
將newsk加到old所在的鏈表上，并且 newsk在old的后面。
?
void skb_unlink(struct sk_buff *skb )?
將skb從它所在的鏈表上取下。?
以上的鏈表操作都是先關中斷的。這在中斷上下文中是不需要的，所以另外有一套與上面函數同名但是有前綴“__”的函數供運行在中斷上下文中的函數調用。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的socket buffer套接字缓存的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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