IPv4之数据包发送流程

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#IPv4 #ip_local_out #ip_output

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高层协议发送接口
IP内部数据包发送流程
3. 小结

网络层的数据包发送过程应该分两个层次来看：

网络层提供了哪些接口给高层协议（tcp、udp等）使用；
网络层内部在收到要发送的数据包后做了哪些处理，然后是如何将数据包发给设备接口层的；

高层协议先通过网络层提供的发送接口将要发送的数据准备好，添加自己的首部后，将数据包交给网络层继续发送出去。

高层协议发送接口

网络层对外提供了较多的发送接口，高层协议会根据场景使用，下面对常用的接口进行简要的介绍。

ip_queue_xmit()

int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, int ipfragok);

该接口主要由tcp使用。

ip_build_and_send_pkt()

待补充…

ip_send_reply()

待补充…

ip_append_data()

该接口主要由udp使用。它并非真正的发送接口，高层协议可以连续多次调用该函数将要发送的数据封装成一个IP报文（可能包含多个片段），然后通过ip_push_pending_frames()发送给网络层。

该接口在封装skb的时候，充分考虑了IP层的分段，其实现非常的复杂，但是它对高效的组织skb数据相当有参考意义。该接口的实现参考笔记IPv4之数据包发送接口ip_append_data(一)和IPv4之数据包发送接口ip_append_data(二)。

ip_push_pending_frames()

配合ip_append_data()，将前者封装好的skb添加IP包头后交给网络层继续处理。为了完整性，该函数的分析见IPv4之数据包发送接口ip_append_data(二)。

IP内部数据包发送流程

上面的发送接口处理完毕后，最终都会调用ip_local_out()继续发送报文。

ip_local_out()

int ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
	int err;

	err = __ip_local_out(skb);
	// 如果Netfilter不处理该数据包就会返回1，交给路由结果处理，
	// 对于本地生成的数据包，对应的函数是ip_output()
	if (likely(err == 1))
		err = dst_output(skb);
	return err;
}

int __ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
	struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);

    // 对skb的长度和IP首部的校验和进行了设置
	iph->tot_len = htons(skb->len);
	ip_send_check(iph); // 计算并设置校验和

	// 让数据包过LOCAL_OUT点，通过后调用dst_output()，这和上面Netfilter不处理该数据包的逻辑一致
	return nf_hook(PF_INET, NF_INET_LOCAL_OUT, skb, NULL, skb->dst->dev,
		       dst_output);
}

// 实际上调用路由查询结果中的output()，对于单播报文（无论是本机，还是转发），
// 该指针指向的实际上是ip_output()。
static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
{
	return skb->dst->output(skb);
}

ip_output()

通过Netfilter的LOCAL_OUT点后，单播报文交给ip_output()继续处理。

int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
	struct net_device *dev = skb->dst->dev;

	IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_OUTREQUESTS);
	// 设置输出设备，和L3报文类型为IP报文，对应L2帧首部的协议字段
	skb->dev = dev;
	skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
	// 让数据包过Netfilter的POST_ROUTING点，通过后调用ip_finish_out()
	return NF_HOOK_COND(PF_INET, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
	            ip_finish_output, !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

ip_finish_output()

通过Netfilter的POST_ROUTING点后，数据包交给ip_finish_output()继续处理。该函数进行IP层的最后一段逻辑处理，即将报文发送给网卡，但是从下面的代码可以看出，这个过程并不是直接调用网络设备层的dev_queue_xmit()，而是通过邻居子系统间接调用。

static int ip_finish_output(struct sk_buff *skb)
{
...
	// 如果报文长度超过了MTU并且不是GSO场景，那么需要分片，分片后再输出。否则直接输出
	if (skb->len > ip_skb_dst_mtu(skb) && !skb_is_gso(skb))
		return ip_fragment(skb, ip_finish_output2);
	else
		return ip_finish_output2(skb);
}

ip_finish_output2()

如上，无论是分片后的输出，还是直接输出，最终调用的函数都是ip_finish_output2()。

static inline int ip_finish_output2(struct sk_buff *skb)
{
	struct dst_entry *dst = skb->dst;
	struct rtable *rt = (struct rtable *)dst;
	struct net_device *dev = dst->dev;
	unsigned int hh_len = LL_RESERVED_SPACE(dev);

	if (rt->rt_type == RTN_MULTICAST)
		IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_OUTMCASTPKTS);
	else if (rt->rt_type == RTN_BROADCAST)
		IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_OUTBCASTPKTS);

	// 如果skb的头部不足以容纳L2的报头，那么重新调整skb的头部空间，并且释放旧的skb
	if (unlikely(skb_headroom(skb) < hh_len && dev->header_ops)) {
		struct sk_buff *skb2;

		skb2 = skb_realloc_headroom(skb, LL_RESERVED_SPACE(dev));
		if (skb2 == NULL) {
			kfree_skb(skb);
			return -ENOMEM;
		}
		if (skb->sk)
			skb_set_owner_w(skb2, skb->sk);
		kfree_skb(skb);
		skb = skb2;
	}
	// 调用邻居子系统的接口输出数据包
	if (dst->hh)
		return neigh_hh_output(dst->hh, skb);
	else if (dst->neighbour)
		return dst->neighbour->output(skb);
	// 路由有问题，没有找到邻居项，发送失败
	if (net_ratelimit())
		printk(KERN_DEBUG "ip_finish_output2: No header cache and no neighbour!\n");
	kfree_skb(skb);
	return -EINVAL;
}