這篇文檔是基于 x86 體系結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)發(fā) IP 分組的。

數(shù)據(jù)包在 Linux 內(nèi)核鏈路層路徑?接收分組

1 接收中斷

如果網(wǎng)卡收到一個(gè)和自己 MAC 地址匹配或鏈路層廣播的以太網(wǎng)幀，它就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。此網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)處理此中斷：

從 DMA/PIO 或其他得到分組數(shù)據(jù)，寫到內(nèi)存里去；

接著，會(huì)分配一個(gè)新的套接字緩沖區(qū) skb ，并調(diào)用與協(xié)議無關(guān)的、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均支持的通用網(wǎng)絡(luò)接收處理函數(shù) netif_rx(skb)。 netif_rx() 函數(shù)讓內(nèi)核準(zhǔn)備進(jìn)一步處理 skb 。

然后， skb 會(huì)進(jìn)入到達(dá)隊(duì)列以便 CPU 處理(對(duì)于多核 CPU 而言，每個(gè) CPU 維護(hù)一個(gè)隊(duì)列)。如果 FIFO 隊(duì)列已滿，就會(huì)丟棄此分組。在 skb 排隊(duì)后，調(diào)用 __cpu_raise_softirq() 標(biāo)記 NET_RX_SOFTIRQ 軟中斷，等待 CPU 執(zhí)行。

至此， netif_rx() 函數(shù)調(diào)用結(jié)束，返回調(diào)用者狀況信息(成功還是失敗等)。此時(shí)，中斷上下文進(jìn)程完成任務(wù)，數(shù)據(jù)分組繼續(xù)被上層協(xié)議棧處理。

2 softirq 和 bottom half

內(nèi)核 2.4 以后，整個(gè)協(xié)議棧不再使用 bottom half (下半文，沒找到好的翻譯)，而是被軟中斷 softirq 取代。軟中斷softirq 優(yōu)勢(shì)明顯，可以同時(shí)在多個(gè) CPU 上執(zhí)行；而 bottom half 一次只能在一個(gè) CPU 上執(zhí)行，即在多個(gè) CPU 執(zhí)行時(shí)嚴(yán)格保持串行。

中斷服務(wù)程序往往都是在 CPU 關(guān)中斷的條件下執(zhí)行的，以避免中斷嵌套而使控制復(fù)雜化。但是 CPU 關(guān)中斷的時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則容易丟失中斷信號(hào)。為此， Linux 將中斷服務(wù)程序一分為二，各稱作“ Top Half ”和“ Bottom Half ”。前者通常對(duì)時(shí)間要求較為嚴(yán)格，必須在中斷請(qǐng)求發(fā)生后立即或至少在一定的時(shí)間限制內(nèi)完成。因此為了保證這種處理能原子地完成， Top Half 通常是在 CPU 關(guān)中斷的條件下執(zhí)行的。具體地說， Top Half 的范圍包括：從在 IDT 中登記的中斷入口函數(shù)一直到驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)在中斷服務(wù)隊(duì)列中的 ISR 。而 Bottom Half 則是 Top Half 根據(jù)需要來調(diào)度執(zhí)行的，這些操作允許延遲到稍后執(zhí)行，它的時(shí)間要求并不嚴(yán)格，因此它通常是在 CPU 開中斷的條件下執(zhí)行的，比如網(wǎng)絡(luò)底層操作就是這樣，由于某些原因，中斷并沒有立刻響應(yīng)，而是先記錄下來，等到可以處理這些中斷的時(shí)候就一塊處理了。但是， Linux 的這種 Bottom Half (以下簡(jiǎn)稱 BH )機(jī)制有兩個(gè)缺點(diǎn)，也即：

( 1 )在任意一時(shí)刻，系統(tǒng)只能有一個(gè) CPU 可以執(zhí)行 Bottom Half 代碼，以防止兩個(gè)或多個(gè) CPU 同時(shí)來執(zhí)行 Bottom Half 函數(shù)而相互干擾。因此 BH 代碼的執(zhí)行是嚴(yán)格“串行化”的。

( 2 ) BH 函數(shù)不允許嵌套。

這兩個(gè)缺點(diǎn)在單 CPU 系統(tǒng)中是無關(guān)緊要的，但在 SMP 系統(tǒng)中卻是非常致命的。因?yàn)?BH 機(jī)制的嚴(yán)格串行化執(zhí)行顯然沒有充分利用 SMP 系統(tǒng)的多 CPU 特點(diǎn)。為此， Linux2.4 內(nèi)核在 BH 機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，這就是所謂的“軟中斷請(qǐng)求”( softirq )機(jī)制。 Linux 的 softirq 機(jī)制是與 SMP 緊密不可分的。為此，整個(gè) softirq 機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中自始自終都貫徹了一個(gè)思想：“誰觸發(fā)，誰執(zhí)行 ”( Who marks ， Who runs )，也即觸發(fā)軟中斷的那個(gè) CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行它所觸發(fā)的軟中斷，而且每個(gè) CPU 都由它自己的軟中斷觸發(fā)與控制機(jī)制。這個(gè)設(shè)計(jì)思想也使得 softirq 機(jī)制充分利用了 SMP 系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)。

3 NET_RX_SOFTIRQ 網(wǎng)絡(luò)接收軟中斷

這一階段會(huì)根據(jù)協(xié)議的不同來處理數(shù)據(jù)分組。 CPU 開始處理軟中斷 do_softirq() ，，接著 net_rx_action() 處理前面標(biāo)記的 NET_RX_SOFTIRQ ，把出對(duì)列的 skb 送入相應(yīng)列表處理(根據(jù)協(xié)議不同到不同的列表)。比如， IP 分組交給 ip_rcv()處理， ARP 分組交給 arp_rcv() 處理等。

4 處理 IPv4 分組

下面以 IPv4 為例，講解 IPv4 分組在高層的處理。

linux 內(nèi)核協(xié)議棧之網(wǎng)絡(luò)層

ip_rcv() 函數(shù)驗(yàn)證 IP 分組，比如目的地址是否本機(jī)地址，校驗(yàn)和是否正確等。若正確，則交給 netfilter 的NF_IP_PRE_ROUTING 鉤子(關(guān)于netfilter細(xì)節(jié)可以參考 Hacking the Linux Kernel Network Stack )；否則，丟棄。到了 ip_rcv_finish() 函數(shù)，數(shù)據(jù)包就要根據(jù) skb 結(jié)構(gòu)的目的或路由信息各奔東西了。

ip_local_deliver() 處理到本機(jī)的數(shù)據(jù)分組；

ip_forward() 處理需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組；

ip_mr_input() 轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包

至此，數(shù)據(jù)分組的接受和處理工作就告一段落了，至于于此相對(duì)的數(shù)據(jù)分組的發(fā)送，我就貼個(gè)圖吧，具體細(xì)節(jié)可參考 The Linux? Networking Architecture: Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel Prentice Hall August 01, 2004

dev_queue_xmit() 處理發(fā)送分組

附一張 Linux 2.4 核的 netfilter 框架下分組的走向圖：

總結(jié)下：

1.中斷處理函數(shù)中：

網(wǎng)卡收到一幀------------------------〉

引發(fā)中斷-------------------〉

cpu調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)(指向此網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中的相應(yīng)的處理函數(shù))(把此packet讀到ram中)--------------------〉

呼叫netif_rx函數(shù)來打上timestamp，并把此skb放入到cpu設(shè)置的隊(duì)列中-----------------〉

標(biāo)記軟中斷(__cpu_raise_softirq)---------------------〉中斷完成。

2．當(dāng)軟中斷被調(diào)用時(shí)(一共在三個(gè)地方調(diào)用)，呼叫NET_RX_SOFTIRQ(其實(shí)就是net_rx_action()函數(shù))來處理網(wǎng)絡(luò)方面的軟中斷。-----------------〉

net_rx_action()根據(jù)數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型在數(shù)組ptype_base[16]里找到相應(yīng)的協(xié)議，并從中知道了接收的處理函數(shù)，然后把數(shù)據(jù)包交給處理函數(shù)，這樣就交給了上層處理，實(shí)際調(diào)用處理函數(shù)是通過net_rx_action()里的pt_prev- func()這一句。例如如果數(shù)據(jù)包是IP協(xié)議的話，ptype_base[ETH_P_IP]- func()(ip_rcv()),這樣就把數(shù)據(jù)包交給了IP協(xié)議。根據(jù)包的類型，查找系統(tǒng)中注冊(cè)了的相應(yīng)的包處理函數(shù)，對(duì)于ipv4的ip包，呼叫ip_rcv-------------〉

NF_IP_PRE_ROUTING--------------〉

ip_rcv_finish(進(jìn)行對(duì)此包的路由操作)---------------------〉

根據(jù)路由的結(jié)果，呼叫ip_local_deliver(給本機(jī)的包)/ip_forwardd(要轉(zhuǎn)發(fā)的包)/ip_error()(出現(xiàn)錯(cuò)誤的包)/ip_mr_input()(多播包的處理)ip_forward：要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的包，check ttl, mtu, call NF_IP_FORWARDS，--------------〉

ip_forwmard_finish(check other ip options for forwardd!)-------------------〉

ip_send(如果需要分片，則調(diào)用ip_fragment，否則調(diào)用ip_finish_output()(call NF_IP_POST_ROUTING，然后時(shí)ip_finish_output2(填充鏈路層頭部到skb結(jié)構(gòu)中)--------------〉

hh- hh_output/dsr- neighbour- output

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux网络协议栈之数据包处理过程,Linux网络协议栈之数据包处理过程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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