本文深入解析了UDP协议中数据包的发送流程，重点介绍了UDP的udp_sendmsg()函数，探讨了MSG_MORE标记和UDP_CORK选项如何影响数据包的组合，以及udp_push_pending_frames()和udp_flush_pending_frames()函数在数据包发送和清理过程中的作用。
https://blog.youkuaiyun.com/xiaoyu_750516366/article/details/84889307
当应用程序调用send()等一系列系统调用向UDP套接字写数据时，最终会调用到UDP的udp_sendmsg()，这篇笔记就以该函数为入口分析下UDP对发送数据包的处理过程。
1. 基本特性
在分析代码之前，有必要对一些UDP的写操作特性做特别的说明，否则会看的晕头转向。
1.1 MSG_MORE标记
UDP数据报不像TCP，它是有边界的，即发送端的一个UDP数据报会完整的也被接收端以一个UDP数据报的方式接收。
然而，并非一次写操作对应一个UDP数据报，应用程序可以通过指定MSG_MORE或者设置UDP_CORK选项的方式来将多次写操作的数据合并成一个UDP数据报。在写操作时，如果设置了MSG_MORE，表示还有更多数据要发送，应用期望内核收到设置了该标记的数据时先不要发送给IP，而是将其缓存，如果后面连续收到设定了该标记的数据，那么将这些数据组合成到同一个UDP报文。类似的，在使能和关闭UDP_CORK选项期间发送的所有数据也要组合成一个UDP报文发送给IP。
应用程序在使用这种方式的时候必须要注意多次组合的数据最好不要超过MTU，否则IP层就不得不将这些要组合的数据分成多个IP数据包发送出去，这样会造成性能的下降。
2. UDP发送入口udp_sendmsg()
@iocb: 为异步IO预留扩展，当前不支持
@sk：传输控制块
@msg：包含了用户空间要发送的数据
@len：要发送的数据长度
int udp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
size_t len)
{
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct udp_sock *up = udp_sk(sk);
int ulen = len;
struct ipcm_cookie ipc;
struct rtable *rt = NULL;
int free = 0;
int connected = 0;
__be32 daddr, faddr, saddr;
__be16 dport;
u8 tos;
int err, is_udplite = IS_UDPLITE(sk);
//corkreq表示是否需要等待其它数据，将这些报文组合成一个UDP报文
int corkreq = up->corkflag || msg->msg_flags&MSG_MORE;
int (*getfrag)(void *, char *, int, int, int, struct sk_buff *);
//UDP首部长度字段只有16bit，所以一个数据包大小不能超过0xFFFF
if (len > 0xFFFF)
return -EMSGSIZE;
/*
* Check the flags.
*/
//UDP不支持带外数据，所以不能设置MSG_OOB
if (msg->msg_flags&MSG_OOB) /* Mirror BSD error message compatibility */
return -EOPNOTSUPP;
ipc.opt = NULL;
//pending标记和前面说的MSG_MORE标记有关。当设置MSG_MORE标记的数据到达时，UDP会将待
//发送的数据暂存到发送队列中，这些数据就处于pending状态，等应用指定要发送数据时，会将
//数据发送给IP，然后清空发送队列，这时退出pending状态。
if (up->pending) {
/*
* There are pending frames.
* The socket lock must be held while it's corked.
*/
lock_sock(sk)
/*
* 再判断一次是因为了lock_sock()可能会导致进程休眠。内核中有许多地方使用这样的方式编程。
* 因为大部分情况下pending标记是没有的，这样的话就不会进入到这里，这种编程方式就可以省掉
* 一个lock_sock(比较复杂、耗时)电泳，仅当设置了pending后，才加锁并再检查一次，这样就
* 能在大部分情况下不用锁，少数情况下加锁，这种方法是内核中常用的提升效率的策略。
*/
if (likely(up->pending)) {
//pengding的值只能是0或者AF_INET
if (unlikely(up->pending != AF_INET)) {
release_sock(sk);
return -EINVAL;
}
//因为已经有挂起的数据，所以可以不用再次进行地址、路由的选择，直接跳转到do_append_data
//处追加数据即可。因为如果有pending标记，下面需要做的工作在处理第一个数据包时已经处理过了
goto do_append_data;
}
release_sock(sk);
}
//ulen表示要发送的UDP报文长度，这里在数据长度的基础上再加上UDP首部长度8个字节
ulen += sizeof(struct udphdr);
//下面这段逻辑是确定目的端IP地址和端口号
//msg_name不为空，表示调用系统调用时用户空间程序指定了目的端地址信息，这种
//情况下校验指定参数并设置地址族、目的地址和目的端口
if (msg->msg_name) {
//目的地址长度必须是IPv4地址
struct sockaddr_in * usin = (struct sockaddr_in*)msg->msg_name;
if (msg->msg_namelen < sizeof(*usin))
return -EINVAL;
//地址族必须是AF_INET或者AF_UNSPEC
if (usin->sin_family != AF_INET) {
if (usin->sin_family != AF_UNSPEC)
return -EAFNOSUPPORT;
}
//目的IP和目的端口
daddr = usin->sin_addr.s_addr;
dport = usin->sin_port;
//目的端口不能为0
if (dport == 0)
return -EINVAL;
} else {
//调用发送相关系统调用时没有指定目的地址情况处理
//如果在该UDP套接字上没有执行过connect()系统调用，所以内核不知道要将该数据包发给谁，
//这种情况返回需要建立连接的错误码
if (sk->sk_state != TCP_ESTABLISHED)
return -EDESTADDRREQ;
//应用程序有调用过connect()，这种情况下目的端地址信息会被保存在inet_sock结构中
daddr = inet->daddr;
dport = inet->dport;
/* Open fast path for connected socket.
Route will not be used, if at least one option is set.
*/
//由于已经连接过，所以连接标记置1
connected = 1;
}
ipc.addr = inet->saddr;
ipc.oif = sk->sk_bound_dev_if;
//如果发送数据时指定了控制信息(sendmsg()系统调用)，用的比较少，先忽略
if (msg->msg_controllen) {
err = ip_cmsg_send(msg, &ipc);
if (err)
return err;
if (ipc.opt)
free = 1;
connected = 0;
}
if (!ipc.opt)
ipc.opt = inet->opt;
saddr = ipc.addr;
ipc.addr = faddr = daddr;
//源路由选项相关处理，先忽略
if (ipc.opt && ipc.opt->srr) {
if (!daddr)
return -EINVAL;
faddr = ipc.opt->faddr;
connected = 0;
}
tos = RT_TOS(inet->tos);
/*
* 如果设置了SOCK_LOCALROUTE或者发送时设置了MSG_DONTROUTE标记，再或者IP选项中存在严格源站选路
* 选项，则说明目的地址或下一跳必然位于本地子网中。此时需要设置tos中的RTO_ONLINK标记，表示
* 后续查找路由时与目的地直连。
*/
if (sock_flag(sk, SOCK_LOCALROUTE) ||
(msg->msg_flags & MSG_DONTROUTE) ||
(ipc.opt && ipc.opt->is_strictroute)) {
tos |= RTO_ONLINK;
connected = 0;
}
//多播地址处理，忽略
if (ipv4_is_multicast(daddr)) {
if (!ipc.oif)
ipc.oif = inet->mc_index;
if (!saddr)
saddr = inet->mc_addr;
connected = 0;
}
//对于已经连接的情况，之前一定已经查询过路由了，这里需要检查该路由是否依然有效
if (connected)
rt = (struct rtable*)sk_dst_check(sk, 0);
//如果需要，这里查询路由表
if (rt == NULL) {
//查询条件有：输出设备接口、源和目的IP、TOS、源和目的端口
struct flowi fl = {
.oif = ipc.oif,
.nl_u = {
.ip4_u = {
.daddr = faddr,
.saddr = saddr,
.tos = tos
}
},
.proto = sk->sk_protocol,
.uli_u = {
.ports = {
.sport = inet->sport,
.dport = dport
}
}
};
security_sk_classify_flow(sk, &fl);
//查询路由表
err = ip_route_output_flow(&init_net, &rt, &fl, sk, 1);
//路由查询失败、发送失败
if (err) {
if (err == -ENETUNREACH)
IP_INC_STATS_BH(IPSTATS_MIB_OUTNOROUTES);
goto out;
}
err = -EACCES;
//路由结果为广播但是该socket不允许广播，发送失败
if ((rt->rt_flags & RTCF_BROADCAST) && !sock_flag(sk, SOCK_BROADCAST))
goto out;
//如果是已连接套接字，那么将路由信息设置到套接字，下次检查即可，不用重复查询，见上文
if (connected)
sk_dst_set(sk, dst_clone(&rt->u.dst));
}
//MSG_CONFIRM表示该报文要求接收端的数据链路层进行确认，用的很少，忽略
if (msg->msg_flags&MSG_CONFIRM)
goto do_confirm;
back_from_confirm:
saddr = rt->rt_src;
if (!ipc.addr)
daddr = ipc.addr = rt->rt_dst;
lock_sock(sk);
//这种情况不应该出现
if (unlikely(up->pending)) {
/* The socket is already corked while preparing it. */
/* ... which is an evident application bug. --ANK */
release_sock(sk);
LIMIT_NETDEBUG(KERN_DEBUG "udp cork app bug 2\n");
err = -EINVAL;
goto out;
}
/*
* Now cork the socket to pend data.
*/
//将一些重要信息暂存到inet->cork中，以备可能存在的后续发送过程使用
inet->cork.fl.fl4_dst = daddr;
inet->cork.fl.fl_ip_dport = dport;
inet->cork.fl.fl4_src = saddr;
inet->cork.fl.fl_ip_sport = inet->sport;
//下面就要将待发送数据放入发送队列了，先设置pending标记
up->pending = AF_INET;
do_append_data:
//up->len变量记录了当前该传输控制块上已经pending的字节数，这里将ulen累加到该变量上
up->len += ulen;
//根据是否为UDPlite选用不同的拷贝函数，这两个协议公用一套函数，但是因为校验和计算方法
//有差别，而且可能需要在拷贝过程中顺便计算校验和(这样可以避免再次遍历数据)，所以这里需要区分
getfrag = is_udplite ? udplite_getfrag : ip_generic_getfrag;
//ip_append_data()很重要，而且足够复杂，它属于IP提供给上层协议使用的一个发送接口，目前
//主要有UDP和raw套接字使用，该函数后面会单独分析，这里只需要知道如下几点：
//1. 该函数将要发送的数据按照MTU大小分割成若干个方便IP处理的片段，每个片段一个skb；并且这些
// skb会放入到套接字的发送缓冲区中；
//2. 该函数只是组织数据包，并不执行发送动作，如果需要发送，需要由调用者主动调用ip_push_frames()
//3. 处理成功返回0，失败返回错误码
err = ip_append_data(sk, getfrag, msg->msg_iov, ulen,
sizeof(struct udphdr), &ipc, rt,
corkreq ? msg->msg_flags|MSG_MORE : msg->msg_flags);
//数据包处理失败，将所有数据包清空，见下文
if (err)
udp_flush_pending_frames(sk);
//数据包处理没有问题，并且没有启用MSG_MORE特性，那么直接将发送队列中的数据发送给IP。
//对于大多数应用都是走了该分支，即一次写操作对应一个UDP数据包，这种UDP套接字相当于
//没有发送缓冲区
else if (!corkreq)
err = udp_push_pending_frames(sk);
//这种情况不大可能发生，除非应用程序指定要发送的数据长度为0
else if (unlikely(skb_queue_empty(&sk->sk_write_queue)))
up->pending = 0;
release_sock(sk);
out:
//释放对路由缓存的引用
ip_rt_put(rt);
if (free)
kfree(ipc.opt);
//处理过程没有错误，返回已发送的字节数
if (!err)
return len;
/*
* ENOBUFS = no kernel mem, SOCK_NOSPACE = no sndbuf space. Reporting
* ENOBUFS might not be good (it's not tunable per se), but otherwise
* we don't have a good statistic (IpOutDiscards but it can be too many
* things). We could add another new stat but at least for now that
* seems like overkill.
*/
if (err == -ENOBUFS || test_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags)) {
UDP_INC_STATS_USER(UDP_MIB_SNDBUFERRORS, is_udplite);
}
return err;
do_confirm:
//确认处理，用的很少，忽略
dst_confirm(&rt->u.dst);
if (!(msg->msg_flags&MSG_PROBE) || len)
goto back_from_confirm;
err = 0;
goto out;
}
注：上面的代码中涉及许多IP选项的相关处理，这里先忽略它们，在实际中，这些选项用的也很少。
2.1 udp_push_pending_frames()
UDP使用该函数将发送队列中的数据包发送给IP，它实际上是ip_push_pending_frames()的包装，代码如下：
/*
* Push out all pending data as one UDP datagram. Socket is locked.
*/
//如注释：该函数会将当前所有pending的数据包作为一个UDP数据报发送出去
static int udp_push_pending_frames(struct sock *sk)
{
struct udp_sock *up = udp_sk(sk);
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct flowi *fl = &inet->cork.fl;
struct sk_buff *skb;
struct udphdr *uh;
int err = 0;
int is_udplite = IS_UDPLITE(sk);
__wsum csum = 0;
/* Grab the skbuff where UDP header space exists. */
//获取发送队列中第一个SKB的指针，注意是获取，并不会将该skb从发送队列上摘除
//发送队列中此时可能有多个skb，每个skb携带的数据为一个MTU大小，这是由前面的
//ip_append_data()处理好的，方面IP层的后续处理
if ((skb = skb_peek(&sk->sk_write_queue)) == NULL)
goto out;
/*
* Create a UDP header
*/
//组装UDP首部各个字段
uh = udp_hdr(skb);
uh->source = fl->fl_ip_sport;
uh->dest = fl->fl_ip_dport;
uh->len = htons(up->len);
uh->check = 0;
//计算数据包的校验和
if (is_udplite) /* UDP-Lite */
csum = udplite_csum_outgoing(sk, skb);
else if (sk->sk_no_check == UDP_CSUM_NOXMIT) { /* UDP csum disabled */
skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
goto send;
} else if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) { /* UDP hardware csum */
udp4_hwcsum_outgoing(sk, skb, fl->fl4_src,fl->fl4_dst, up->len);
goto send;
} else /* `normal' UDP */
csum = udp_csum_outgoing(sk, skb);
/* add protocol-dependent pseudo-header */
//伪首部校验和计算
uh->check = csum_tcpudp_magic(fl->fl4_src, fl->fl4_dst, up->len,
sk->sk_protocol, csum);
if (uh->check == 0)
uh->check = CSUM_MANGLED_0;
send:
//调用IP协议的push()函数将数据包组织成一个IP报文发送出去。这些数据包虽然可能会由多个片段组成，
//而且每个片段都达到了MTU大小，但是它们公用一个ipid，表明它们属于同一个IP报文，只是分段了而已
//该函数在IP协议的发送部分再分析
err = ip_push_pending_frames(sk);
out:
//无论成功与否，发送队列中不再有数据，所以清空len和pending标记
up->len = 0;
up->pending = 0;
if (!err)
UDP_INC_STATS_USER(UDP_MIB_OUTDATAGRAMS, is_udplite);
return err;
}
2.2 udp_flush_pending_frames()
该函数用于将发送队列中的所有数据都丢弃，并且清除pending标记。
/*
* Throw away all pending data and cancel the corking. Socket is locked.
*/
static void udp_flush_pending_frames(struct sock *sk)
{
struct udp_sock *up = udp_sk(sk);
if (up->pending) {
up->len = 0;
up->pending = 0;
//skb的删除由该函数完成
ip_flush_pending_frames(sk);
}
}
/*
* Throw away all pending data on the socket.
*/
void ip_flush_pending_frames(struct sock *sk)
{
struct sk_buff *skb;
//删除发送队列中的数据
while ((skb = __skb_dequeue_tail(&sk->sk_write_queue)) != NULL)
kfree_skb(skb);
//由于处于pending状态时，inet_sk的cork字段保存了一些缓存信息，所以也需要清除
ip_cork_release(inet_sk(sk));
}
static void ip_cork_release(struct inet_sock *inet)
{
//主要是路由和IP选项
inet->cork.flags &= ~IPCORK_OPT;
kfree(inet->cork.opt);
inet->cork.opt = NULL;
if (inet->cork.rt) {
ip_rt_put(inet->cork.rt);
inet->cork.rt = NULL;
}
}
3. 小结
从上面的代码分析过程中可以看出，UDP的发送过程还是相当直接的，它几乎不缓存应用写入的数据，直接将这些数据组装成UDP数据报，然后丢给IP处理。
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