systemd-networkd 网络管理模块深度分析

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  团队博客: 汽车电子社区

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1. 源码结构和文件组织

1.1 目录结构概览

src/network/
├── networkd.c                    # 主程序入口
├── networkd-manager.c/.h          # 核心管理器
├── networkd-network.c/.h          # 网络配置管理
├── networkd-link.c/.h            # 网络设备管理
├── networkd-address.c/.h          # IP地址管理
├── networkd-route.c/.h           # 路由管理
├── networkd-dhcp4.c/.h           # DHCPv4客户端
├── networkd-dhcp6.c/.h           # DHCPv6客户端
├── networkd-ndisc.c/.h           # IPv6邻居发现
├── networkd-dns.c                # DNS配置集成
├── netdev/                       # 虚拟网络设备
├── tc/                          # 流量控制
└── generator/                    # 配置生成器

1.2 核心文件职责

  主程序和核心管理
    - networkd.c: 主程序入口，初始化和事件循环
    - networkd-manager.c: 核心管理器，协调所有网络组件

   网络组件管理
    - networkd-link.c: 网络设备生命周期管理
    - networkd-address.c: IP地址配置和管理
    - networkd-route.c: 路由表管理

  协议实现
    - networkd-dhcp4.c: DHCPv4客户端实现
    - networkd-dhcp6.c: DHCPv6客户端实现
    - networkd-ndisc.c: IPv6邻居发现协议

  虚拟化支持
    - netdev/: 各种虚拟网络设备实现
    - tc/: 流量控制和服务质量

2. 核心功能和架构设计

2.1 整体架构

  systemd-networkd 采用分层架构设计：

2.2 核心数据结构

  Manager 结构 (networkd-manager.h)

typedef struct Manager {
    sd_netlink *rtnl;           // 路由网络链接套接字
    sd_netlink *genl;           // 通用网络链接套接字
    sd_netlink *nfnl;           // Netfilter网络链接套接字
    sd_event *event;             // 事件循环
    sd_resolve *resolve;         // DNS解析器
    sd_bus *bus;                // D-Bus连接
    
    Hashmap *links_by_index;     // 按索引索引的链路
    Hashmap *links_by_name;      // 按名称索引的链路
    OrderedHashmap *networks;    // 网络配置
    Hashmap *netdevs;           // 网络设备
    
    ManagerState state;          // 管理器状态
    bool enumerating;            // 是否正在枚举
    bool dirty;                 // 是否需要保存状态
} Manager;

  Link 结构 (networkd-link.h)

typedef struct Link {
    Manager *manager;            // 父管理器
    int ifindex;                // 接口索引
    char *ifname;               // 接口名称
    Network *network;            // 关联的网络配置
    NetDev *netdev;             // 关联的网络设备
    
    LinkState state;            // 链路状态
    LinkOperationalState operstate; // 操作状态
    LinkCarrierState carrier_state;  // 载波状态
    
    Set *addresses;             // IP地址集合
    Set *routes;               // 路由集合
    
    // DHCP相关
    sd_dhcp_client *dhcp_client;
    sd_dhcp_lease *dhcp_lease;
    bool dhcp4_configured;
    
    // IPv6相关
    sd_ndisc *ndisc;
    sd_dhcp6_client *dhcp6_client;
    sd_radv *radv;
} Link;

  Network 结构 (networkd-network.h)

typedef struct Network {
    Manager *manager;
    char *name;                 // 网络名称
    char *filename;              // 配置文件名
    
    // 匹配条件
    NetMatch match;
    LIST_HEAD(Condition, conditions);
    
    // 主设备配置
    NetDev *bridge;
    NetDev *bond;
    NetDev *vrf;
    
    // 地址配置
    OrderedHashmap *addresses_by_section;
    Hashmap *routes_by_section;
    
    // DHCP配置
    bool dhcp_use_dns;
    bool dhcp_use_routes;
    UseDomains dhcp_use_domains;
} Network;

3. 网络设备管理

3.1 设备生命周期管理

  网络设备通过以下状态机进行管理：

3.2 设备枚举过程

  在 manager_enumerate() 中实现完整枚举：

// 枚举网络链路
r = manager_enumerate_links(m);
// 枚举地址
r = manager_enumerate_addresses(m);
// 枚举路由
r = manager_enumerate_routes(m);
// 枚举邻居
r = manager_enumerate_neighbors(m);

3.3 设备状态跟踪

typedef enum LinkState {
    LINK_STATE_PENDING,      // 等待udev初始化
    LINK_STATE_INITIALIZED, // udev已初始化
    LINK_STATE_CONFIGURING, // 正在配置
    LINK_STATE_CONFIGURED,  // 配置完成
    LINK_STATE_UNMANAGED,   // 非托管
    LINK_STATE_FAILED,      // 配置失败
    LINK_STATE_LINGER,      // 链路已删除
} LinkState;

typedef enum LinkOperationalState {
    LINK_OPERSTATE_OFF,         // 关闭
    LINK_OPERSTATE_NO_CARRIER,   // 无载波
    LINK_OPERSTATE_DORMANT,      // 休眠
    LINK_OPERSTATE_DEGRADED,     // 降级
    LINK_OPERSTATE_CARRIER,      // 有载波
    LINK_OPERSTATE_IP_CONFIGURE, // IP配置中
    LINK_OPERSTATE_IP_CHECK,     // IP检查中
    LINK_OPERSTATE_DEGRADED_IP_CONFIGURE, // 降级IP配置
    LINK_OPERSTATE_ROUTABLE,     // 可路由
} LinkOperationalState;

4. 网络配置解析

4.1 配置文件加载

  配置文件通过 network_load() 加载：

int network_load(Manager *manager, OrderedHashmap **ret) {
    // 枚举.network文件
    r = conf_files_list_strv(&files, ".network", NULL, 0, NETWORK_DIRS);
    
    // 加载每个配置文件
    STRV_FOREACH(f, files)
        (void) network_load_one(manager, &networks, *f);
}

4.2 配置节解析

  支持的配置节包括：
    - [Match]: 设备匹配条件
    - [Link]: 链路层配置
    - [Network]: 网络层配置
    - [Address]: IP地址配置
    - [Route]: 路由配置
    - [DHCPv4]/[DHCPv6]: DHCP配置
    - [IPv6AcceptRA]: IPv6路由器接受配置

4.3 设备匹配机制

// 匹配条件结构
typedef struct NetMatch {
    char *name;                  // 设备名通配符
    char *path;                  // 设备路径
    char *driver;                // 驱动名称
    NetKind kind;                // 设备类型
    char *mac_address;            // MAC地址
    uint32_t mtu;                // MTU大小
    // ... 更多匹配条件
} NetMatch;

5. DHCP客户端实现

5.1 DHCPv4客户端架构

// DHCPv4配置调整
void network_adjust_dhcp4(Network *network) {
    if (network->dhcp_use_gateway < 0)
        network->dhcp_use_gateway = network->dhcp_use_routes;
    
    // 匿名化设置下的客户端标识符处理
    if (network->dhcp_anonymize &&
        network->dhcp_client_identifier != DHCP_CLIENT_ID_MAC) {
        network->dhcp_client_identifier = DHCP_CLIENT_ID_MAC;
    }
}

5.2 DHCPv6客户端特性

  - 支持前缀委托 (DHCP-PD)
  - 支持快速提交 (Rapid Commit)
  - 支持无RA模式启动
  - 集成IPv6邻居发现

5.3 DHCP流程

5.4 DHCP事件处理

// DHCP事件回调
static int dhcp4_handler(sd_dhcp_client *client, int event, 
                        void *userdata, void *event_data) {
    Link *link = userdata;
    
    switch (event) {
    case SD_DHCP_CLIENT_EVENT_EXPIRED:
        log_link_debug(link, "DHCPv4 lease expired");
        link dhcp4_lost(link);
        break;
        
    case SD_DHCP_CLIENT_EVENT_IP_ACQUIRE:
        log_link_debug(link, "DHCPv4 lease acquired");
        link_dhcp4_configure(link, event_data);
        break;
        
    case SD_DHCP_CLIENT_EVENT_IP_CHANGE:
        log_link_debug(link, "DHCPv4 lease changed");
        link_dhcp4_update(link, event_data);
        break;
    }
    
    return 0;
}

6. 网络链接管理

6.1 链路配置流程

int link_configure(Link *link) {
    // 配置链路层参数
    r = link_configure_mtu(link);
    r = link_configure_mac(link);
    
    // 配置地址
    r = link_configure_addresses(link);
    
    // 配置路由
    r = link_configure_routes(link);
    
    // 启动DHCP客户端
    if (link_dhcp4_enabled(link))
        r = dhcp4_configure(link);
    
    return r;
}

6.2 地址管理

typedef struct Address {
    Network *network;             // 关联网络
    Link *link;                    // 关联链路
    
    int family;                    // 地址族 (AF_INET/AF_INET6)
    unsigned char prefixlen;       // 前缀长度
    union in_addr_union in_addr;    // IP地址
    
    AddressFlags flags;            // 地址标志
    uint32_t lifetime;              // 生命周期
    uint32_t preferred_lifetime;    // 首选生命周期
} Address;

6.3 链路监控

// netlink事件处理
static int manager_rtnl_process_link(sd_netlink *rtnl, sd_netlink_message *message, 
                                   void *userdata) {
    Manager *m = userdata;
    Link *link;
    int ifindex;
    
    // 获取接口索引
    r = sd_netlink_message_get_type(message, &type);
    r = sd_netlink_message_get_u32(message, IFLA_IFINDEX, &ifindex);
    
    switch (type) {
    case RTM_NEWLINK:
        link = hashmap_get(m->links_by_index, INT_TO_PTR(ifindex));
        if (!link) {
            // 新链路，创建Link对象
            manager_new_link(m, message);
        } else {
            // 现有链路，更新状态
            link_update(link, message);
        }
        break;
        
    case RTM_DELLINK:
        // 链路删除
        link_remove(m, ifindex);
        break;
    }
    
    return 0;
}

7. 路由配置

7.1 路由数据结构

typedef struct Route {
    Network *network;             // 关联网络
    Link *link;                    // 关联链路
    
    int family;                    // 地址族 (AF_INET/AF_INET6)
    unsigned char dst_prefixlen;    // 目标前缀长度
    union in_addr_union dst;        // 目标地址
    uint32_t priority;             // 优先级/度量
    RouteNextHop nexthop;          // 下一跳
    RouteMetric metric;              // 路由度量
    uint32_t table;                // 路由表
    
    RouteScope scope;              // 路由范围
    RouteType type;                // 路由类型
    RouteProtocol protocol;          // 路由协议
} Route;

7.2 路由管理功能

  - 静态路由: 通过配置文件配置
  - 动态路由: DHCP/RA获取
  - 策略路由: 支持路由策略规则
  - 多路径路由: 支持ECMP

7.3 路由配置流程

int link_configure_routes(Link *link) {
    Route *route;
    int r;
    
    // 配置静态路由
    HASHMAP_FOREACH(route, link->network->routes_by_section) {
        r = route_configure(route, link);
        if (r < 0)
            log_link_warning(link, "Failed to configure route: %s", strerror(-r));
    }
    
    // 配置DHCP路由
    if (link->network->dhcp_use_routes && link->dhcp_lease) {
        r = dhcp4_configure_routes(link);
        if (r < 0)
            log_link_warning(link, "Failed to configure DHCP routes: %s", strerror(-r));
    }
    
    return 0;
}

8. DNS解析集成

8.1 DNS配置管理

typedef struct {
    struct in_addr_full **dns;     // DNS服务器地址
    unsigned n_dns;
    OrderedSet *search_domains;      // 搜索域
    OrderedSet *route_domains;      // 路由域
    DnssecMode dnssec_mode;        // DNSSEC模式
    DnsOverTlsMode dns_over_tls_mode; // DNS over TLS模式
} DNSConfiguration;

8.2 DNS源支持

  - 静态配置: 配置文件指定
  - DHCP: DHCP服务器提供
  - RA: 路由器通告提供
  - LLDP: 链路层发现协议提供

8.3 DNS集成流程

// DNS配置更新
int link_update_dns(Link *link) {
    DNSConfiguration dns_config = {};
    int r;
    
    // 收集DNS配置
    r = network_collect_dns(link->network, &dns_config);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 应用DHCP DNS配置
    if (link->dhcp_lease && link->network->dhcp_use_dns) {
        r = dhcp4_collect_dns(link->dhcp_lease, &dns_config);
        if (r < 0)
            return r;
    }
    
    // 应用到systemd-resolved
    r = dns_apply_config(link->manager->resolve, link->ifname, &dns_config);
    
    dns_config_clear(&dns_config);
    return r;
}

9. 网络监控和状态

9.1 状态监控机制

  - netlink事件: 监听内核网络事件
  - udev事件: 监听设备事件
  - 定时器监控: 定期检查链路状态
  - 速度测量: 网络接口速度监控

9.2 事件处理

// netlink消息处理
netlink_add_match(m->rtnl, NULL, RTM_NEWLINK, &manager_rtnl_process_link);
netlink_add_match(m->rtnl, NULL, RTM_NEWADDR, &manager_rtnl_process_address);
netlink_add_match(m->rtnl, NULL, RTM_NEWROUTE, &manager_rtnl_process_route);

// udev事件处理
sd_device_monitor_start(m->device_monitor, manager_process_uevent, m);

9.3 状态持久化

// 保存网络状态
int manager_save_state(Manager *m) {
    _cleanup_fclose_ FILE *f = NULL;
    
    f = fopen("/run/systemd/netif/state", "we");
    if (!f)
        return -errno;
    
    // 保存链路状态
    HASHMAP_FOREACH(link, m->links_by_index) {
        if (link->state == LINK_STATE_CONFIGURED)
            link_save_state(link, f);
    }
    
    return 0;
}

10. 软件架构图

10.1 Network 模块分层架构

10.2 数据流程图

11. 接口调用流程

11.1 网络设备初始化流程

11.2 DHCP配置流程

11.3 路由管理流程

12. 源码分析

12.1 核心管理器实现

// src/network/networkd-manager.c:800-900
int manager_new(Manager **ret) {
    _cleanup_(manager_freep) Manager *m = NULL;
    int r;
    
    m = new0(Manager, 1);
    if (!m)
        return -ENOMEM;
    
    // 1. 创建事件循环
    r = sd_event_default(&m->event);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 2. 创建netlink套接字
    r = sd_netlink_open(&m->rtnl);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 3. 创建通用netlink套接字
    r = sd_netlink_open(&m->genl);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 4. 创建D-Bus连接
    r = sd_bus_open_system(&m->bus);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 5. 创建DNS解析器
    r = sd_resolve_new(&m->resolve);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 6. 创建哈希表
    m->links_by_index = hashmap_new(NULL);
    m->links_by_name = hashmap_new(NULL);
    m->networks = ordered_hashmap_new(&network_hash_ops);
    m->netdevs = hashmap_new(&netdev_hash_ops);
    
    *ret = TAKE_PTR(m);
    return 0;
}

12.2 链路管理核心实现

// src/network/networkd-link.c:1200-1300
int link_configure(Link *link) {
    Network *network = link->network;
    int r;
    
    assert(link);
    assert(network);
    
    // 1. 配置链路层参数
    if (network->mtu) {
        r = link_set_mtu(link, network->mtu);
        if (r < 0)
            log_link_warning(link, "Failed to set MTU: %s", strerror(-r));
    }
    
    // 2. 配置MAC地址
    if (network->mac) {
        r = link_set_mac(link, network->mac);
        if (r < 0)
            log_link_warning(link, "Failed to set MAC address: %s", strerror(-r));
    }
    
    // 3. 配置IP地址
    r = link_configure_addresses(link);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 4. 配置路由
    r = link_configure_routes(link);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 5. 启动DHCPv4客户端
    if (network->dhcp && network->dhcp != DHCP_NO) {
        r = dhcp4_configure(link);
        if (r < 0)
            log_link_warning(link, "Failed to start DHCPv4 client: %s", strerror(-r));
    }
    
    // 6. 配置IPv6
    if (socket_ipv6_is_enabled()) {
        r = link_configure_ipv6(link);
        if (r < 0)
            log_link_warning(link, "Failed to configure IPv6: %s", strerror(-r));
    }
    
    return 0;
}

12.3 DHCP客户端实现

// src/network/networkd-dhcp4.c:400-500
int dhcp4_configure(Link *link) {
    int r;
    
    assert(link);
    assert(link->network);
    
    // 1. 创建DHCP客户端
    r = sd_dhcp_client_new(&link->dhcp_client);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 2. 设置接口索引
    r = sd_dhcp_client_set_ifindex(link->dhcp_client, link->ifindex);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 3. 设置客户端标识符
    r = sd_dhcp_client_set_client_id(link->dhcp_client, 
                                     link->network->dhcp_client_identifier);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 4. 设置MAC地址
    r = sd_dhcp_client_set_mac(link->dhcp_client, &link->mac);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 5. 设置广播模式
    r = sd_dhcp_client_set_broadcast(link->dhcp_client, 
                                    link->network->dhcp_broadcast);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 6. 设置事件回调
    r = sd_dhcp_client_attach_event(link->dhcp_client, link->manager->event);
    if (r < 0)
        return r;
    
    r = sd_dhcp_client_set_callback(link->dhcp_client, dhcp4_handler, link);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 7. 启动DHCP客户端
    r = sd_dhcp_client_start(link->dhcp_client);
    if (r < 0)
        return r;
    
    link->dhcp4_configured = true;
    return 0;
}

12.4 地址管理实现

// src/network/networkd-address.c:600-700
int address_configure(Address *address, Link *link) {
    int r;
    
    assert(address);
    assert(link);
    
    // 1. 检查地址是否已存在
    r = address_exists(link, address);
    if (r < 0)
        return r;
    
    if (r > 0) {
        log_link_debug(link, "Address %s already exists", 
                       in_addr_to_string(address->family, &address->in_addr, 
                                       address->prefixlen));
        return 0;
    }
    
    // 2. 添加地址到接口
    r = rtnl_add_address(link->manager->rtnl,
                         link->ifindex,
                         address->family,
                         &address->in_addr,
                         address->prefixlen,
                         address->flags,
                         address->scope);
    if (r < 0) {
        log_link_error(link, "Failed to add address %s: %s",
                      in_addr_to_string(address->family, &address->in_addr,
                                      address->prefixlen),
                      strerror(-r));
        return r;
    }
    
    // 3. 更新地址对象状态
    address->link = link;
    
    log_link_info(link, "Configured address %s",
                 in_addr_to_string(address->family, &address->in_addr,
                                 address->prefixlen));
    
    return 0;
}

12.5 网络配置加载实现

// src/network/networkd-network.c:800-900
int network_load_one(Manager *manager, OrderedHashmap **networks, const char *filename) {
    _cleanup_(network_freep) Network *network = NULL;
    const char *dropin_dirname;
    int r;
    
    assert(manager);
    assert(filename);
    
    // 1. 创建Network对象
    network = new0(Network, 1);
    if (!network)
        return -ENOMEM;
    
    network->manager = manager;
    network->filename = strdup(filename);
    if (!network->filename)
        return -ENOMEM;
    
    // 2. 解析配置文件
    r = config_parse(filename, "Network\0", 
                     config_item_perf_lookup, network_network_gperf_lookup,
                     CONFIG_PARSE_WARN, network, NULL);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 3. 验证网络配置
    r = network_verify(network);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 4. 处理drop-in配置
    r = network_load_dropin(network);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 5. 添加到哈希表
    r = ordered_hashmap_put(*networks, network->name, network);
    if (r < 0)
        return r;
    
    TAKE_PTR(network);
    return 0;
}

13. 虚拟网络设备支持

13.1 支持的设备类型

  - Bridge: 网桥
  - Bond: 网卡绑定
  - VLAN: 虚拟局域网
  - VXLAN: 虚拟扩展局域网
  - MACVLAN: MAC虚拟局域网
  - IP Tunnel: IP隧道
  - WireGuard: VPN隧道

13.2 设备管理架构

const NetDevVTable * const netdev_vtable[_NETDEV_KIND_MAX] = {
    [NETDEV_KIND_BRIDGE] = &bridge_vtable,
    [NETDEV_KIND_BOND] = &bond_vtable,
    [NETDEV_KIND_VLAN] = &vlan_vtable,
    [NETDEV_KIND_VXLAN] = &vxlan_vtable,
    // ... 更多设备类型
};

13.3 虚拟设备创建

int netdev_create(NetDev *netdev) {
    int r;
    
    assert(netdev);
    assert(netdev->ifindex == 0);
    
    // 1. 调用设备特定的创建函数
    r = NETDEV_VTABLE(netdev)->create(netdev);
    if (r < 0)
        return r;
    
    // 2. 设置设备名称
    if (netdev->ifname) {
        r = rtnl_set_link_name(netdev->manager->rtnl, 
                                netdev->ifindex, netdev->ifname);
        if (r < 0)
            return r;
    }
    
    // 3. 配置设备参数
    r = netdev_configure(netdev);
    if (r < 0)
        return r;
    
    netdev->state = NETDEV_STATE_CONFIGURED;
    return 0;
}

14. 与其他模块的集成

14.1 系统集成

14.2 D-Bus API

提供完整的D-Bus接口：

• org.freedesktop.network1.Manager
• org.freedesktop.network1.Link
• org.freedesktop.network1.Network

14.3 Varlink接口

  提供现代化的Varlink API用于：
    - 网络配置查询
    - 状态监控
    - 动态配置更新

15. 关键特性和优化

15.1 性能优化

  - BPF过滤器: netlink消息过滤
  - 批量操作: 地址/路由批量配置
  - 延迟初始化: 按需加载组件
  - 缓存机制: DNS查询缓存

15.2 可靠性特性

  - 状态持久化: 重启后恢复状态
  - 优雅降级: 配置失败时的回退
  - 热重载: 运行时配置更新
  - 故障检测: 自动故障检测和恢复

16. 总结

  systemd-networkd 是一个功能完整、架构优雅的网络管理系统，具有以下优势：

    1. 统一管理: 集成网络设备、地址、路由、DNS等所有网络功能
    2. 配置灵活: 支持多种配置方式和复杂网络拓扑
    3. 性能优秀: 通过事件驱动和批量操作实现高性能
    4. 可靠性高: 完善的状态管理和错误处理机制
    5. 扩展性好: 模块化设计便于功能扩展

  该模块为现代Linux系统提供了企业级的网络管理解决方案，是systemd生态系统的重要组成部分。通过精心设计的架构和丰富的功能集，systemd-networkd成功替代了传统的网络配置工具，为Linux网络管理提供了更加现代化和可靠的解决方案。