作者：林海枫
本文地址： http://blog.youkuaiyun.com/linyt/archive/2010/01/14/5191512.aspx
注：本文由作者所拥用，欢迎转载，但请全文转载并注明作者，请勿用于 任何商途。
本文分析的kernel版本为：2.6.24.4，网桥代码目录为：linux-2.6.24.4/net/bridge。
本文着重分析网桥的基本功能，关于STP的功能，我想从另写一篇文章进行分析。由于时间仓促，分析可能存在不足之外。
网桥是kernel网络模块中相于独立的module，读者具有简单的kernel网络设备驱动开发和kerenl网络协议的基础知识即可。我在2007 年就开始接触网桥了，当时有位同事为了测试网桥的功能，还特地查看了网桥的代码，还特意转告我一定要看看这部分的代码，他说比较简单，也很容易看个明白。 我当时在做Linux系统的测试工作，还未正式进行开发工作，虽然把代码查看了一翻，但由于经验关系，看得一窍不通。两年过去了，在Linux的开发过程 了，接触了kernel的机会也很多。去年3月份，阅读了kernel中网络子模块的部分代码。最近由于工作的需要，阅读了项目中网络驱动部分的代码，就 这样，目光转向了Linux网桥代码。遂有写此文之愿。
第一部分： 网桥的报文处理功能分析
1.1 Linux网桥的配置实例
在Linux里面使用网桥非常简单，仅需要做两件事情就可以配置了。其一是在编译内核里把CONFIG_BRIDGE或 CONDIG_BRIDGE_MODULE编译选项打开；其二是安装brctl工具。第一步是使内核协议栈支持网桥，第二步是安装用户空间工具，通过一系 列的ioctl调用来配置网桥。下面以一个相对简单的实例来贯穿全文，以便分析代码。
Linux机器有4个网卡，分别是eth0~eth4，其中eth0用于连接外网，而eth1, eth2, eth3都连接到一台PC机，用于配置网桥。只需要用下面的命令就可以完成网桥的配置：
Brctl addbr br0 (建立一个网桥br0, 同时在Linux内核里面创建虚拟网卡br0)
Brctl addif br0 eth1
Brctl addif br0 eth2
Brctl addif br0 eth3 (分别为网桥br0添加接口eth1, eth2和eth3)
其中br0作为一个网桥，同时也是虚拟的网络设备，它即可以用作网桥的管理端口，也可作为网桥所连接局域网的网关，具体情况视你的需求而定。要使用br0 接口时，必需为它分配IP地址。为正常工作，PC1, PC2，PC3和br0的IP地址必须分配在同一个网段。
1.2 网桥的数据结构
网桥的核心数据结构主要有：struct net_bridge和struct net_bridge_port这两个结构，当然还有通用的网络设备结构struct net_device。为了简单起见，我们以上述为例子，描述出此时它的静态结构。
每个网桥由struct net_bridge结构来维护，它主要的成员有：port_list，dev和hash。Port_list是一个双向链表，它元素的结构为 struct net_bridge_port，每个加入到网桥的设备都在里面占一个元素结点。Dev指针指向net_device变量，它存放网络设备br0的信息。 Hash是MAC地址的hash表，MAC地址的hash值为数组结构的下标，每个数组元素为链表，每个元素就是唯一的struct net_bridge_fdb_entry结构，以MAC地址为标识符。
1.3 网桥数据包入口
网桥是一种2层网络互连设备，而不是一种网络协议。它在协议结构上并没有占有一席之地，因此不能通过向协议栈注册协议的方式来申请网桥数据包的处理。相 反，网桥接口（如上述的eth1）的数据包和一般接口（如eth0）在格式上完全是一样的，不同之处是网桥在2层上就对它进行了转了，而一般接口要在3层 才能根据路由信息来决定是否要转发，如何转发。那么一个网络接口，在驱动处理完数据包后，怎么才知道该接口分配在一个网桥里面呢？其实很简单，当 brctl工具通过ioctl系统调用时，kernel为该添加的设备生成一个bridge_port结构并放到port_list链中，同时将该 bridge_port的值赋予设备net_device的br_port指针。因此，要识别接口是否属于某个网桥，只需判断net_device的 br_port指针是否不为空即可。
现假设PC1向PC2发送其个数据包，数据首先会由eth1网卡接收，此后网卡向CPU发送接收中断。当CPU执行当前指令后（如果开中断的话），马上跳 到网卡的驱动程去。Eth1的网卡驱动首先生成一个skb结构，然后对以太网层进行分析，最后驱动将该skb结构放到当前CPU的输入队列中，唤醒软中 断。如果没有其它中断的到来，那么软中断将调用netif_receive_skb函数。代码和分析如下所述：
[linux-2.6.24.4/net/core/dev.c]
| int netif_receive_skb( struct sk_buff * skb)
{
//当网络设备收到网络数据包时，最终会在软件中断环境里调用此函数
//检查该数据包是否有packet socket来接收该包，如果有则往该socket
//拷贝一份，由deliver_skb来完成。
list_for_each_entry_rcu( ptype, & ptype_all, list ) {
if ( ! ptype- > dev | | ptype- > dev = = skb- > dev) {
if ( pt_prev)
ret = deliver_skb( skb, pt_prev, orig_dev) ;
pt_prev = ptype;
}
}
// 先试着将该数据包让网桥函数来处理，如果该数据包的入口接口确实是网桥接口，
// 则按网桥方式来处理，并且handle_bridge返回NULL，表示网桥已处理了。
// 如果不是网桥接口的数据包，则不应该让网桥来处理，handle_bridge返回skb，
// 后面代码会让协议栈来处理上层协议。
skb = handle_bridge( skb, & pt_prev, & ret, orig_dev) ;
if ( ! skb)
goto out;
skb = handle_macvlan( skb, & pt_prev, & ret, orig_dev) ;
if ( ! skb)
goto out;
//对该数据包转达到它L3协议的处理函数
type = skb- > protocol;
list_for_each_entry_rcu( ptype, & ptype_base[ ntohs ( type) & 15] , list ) {
if ( ptype- > type = = type & &
( ! ptype- > dev | | ptype- > dev = = skb- > dev) ) {
if ( pt_prev)
ret = deliver_skb( skb, pt_prev, orig_dev) ;
pt_prev = ptype;
}
}
}
|
1.4 handle_bridge处理函数
[linux-2.6.24.4/net/core/dev.c]
| static inline struct sk_buff * handle_bridge( struct sk_buff * skb,
struct packet_type * * pt_prev, int * ret,
struct net_device * orig_dev)
{
struct net_bridge_port * port;
//如果该数据包产生于本机，而目标同时为本机。
if ( skb- > pkt_type = = PACKET_LOOPBACK | |
//如果该数据包的输入接口不是网桥接口
( port = rcu_dereference( skb- > dev- > br_port) ) = = NULL )
// 以上两种情况都需要让上层协议进行处理
return skb;
if ( * pt_prev) {
* ret = deliver_skb( skb, * pt_prev, orig_dev) ;
* pt_prev = NULL ;
}
//数据包的入口接口是网桥接口。下面将按网桥逻辑进行处理。
//如假包换，数据包转达到真正的网桥处理函数
//br_handle_frame_hook在网桥模块的init函数被初始化为
//br_handle_frame
return br_handle_frame_hook( port, skb) ;
}
|
1.5 网桥处理逻辑
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]
| struct sk_buff * br_handle_frame( struct net_bridge_port * p, struct sk_buff * skb)
{
//所有网桥通信的数据包都会进入到这里，谓之为网桥处理函数
const unsigned char * dest = eth_hdr( skb) - > h_dest;
int ( * rhook) ( struct sk_buff * skb) ;
if ( ! is_valid_ether_addr( eth_hdr( skb) - > h_source) )
goto drop;
//如果skb是share的，则拷贝一份
skb = skb_share_check( skb, GFP_ATOMIC) ;
if ( ! skb)
return NULL ;
if ( unlikely( is_link_local( dest) ) ) {
/* Pause frames shouldn't be passed up by driver anyway */
if ( skb- > protocol = = htons ( ETH_P_PAUSE) )
goto drop;
//如果该数据包的目标地址为STP协议的组播地址，并且该网桥启用STP功能，
//则，结束该数据包的处理，它将会在第(2)处理得到处理
if ( p- > br- > stp_enabled ! = BR_NO_STP) {
if ( NF_HOOK( PF_BRIDGE , NF_BR_LOCAL_IN, skb, skb- > dev,
NULL , br_handle_local_finish) )
return NULL ;
else
return skb;
}
// 如果该包是发往网桥组播的，但该网桥没有启用STP功能，则在下面处理，
// 并返回已处理的标识（返回NULL）来通知代码(2)处不需再处理。
}
switch ( p- > state) {
case BR_STATE_FORWARDING:
rhook = rcu_dereference( br_should_route_hook) ;
if ( rhook ! = NULL ) {
if ( rhook( skb) )
// 如果该接口处于Forwarding状态，并且该报文必需要走L3层
// 进行转发，则直接返回，让代码(2)进行处理。
// br_should_route_hook钩子函数在ebtable里面设置为ebt_broute函数，
//它根据用户的规则来决定该报文是否要能通过L3来转发。
return skb;
dest = eth_hdr( skb) - > h_dest;
}
/* fall through */
case BR_STATE_LEARNING:
if ( ! compare_ether_addr( p- > br- > dev- > dev_addr, dest) )
//当用内核创建一个网桥的同时也会创建一个虚拟的网络设备，它的名字
//为网桥的名字，保存在p->br->dev指针里。P->br->dev和port_list里面的
//接口共同组成一个网桥。如果该报文是要发往此接，则标记skb->pkt_type为
//PACKET_HOST。因为报文最终是要发送到p->br->dev的输送队列里面，
//正如一般的网卡驱动程序将数据包送往到某个net_device的输入队列一样，
//这样bridge功能充当了虚拟网卡(如例子中的br0)驱动，应当设置
//skb->pkt_type
//为PACKET_HOST，表明数据包是要发送该接口，而非是因为打开混杂模式
//而接收到的。
skb- > pkt_type = PACKET_HOST;
// 接着由br_handle_frame_finish函数继续处理。
NF_HOOK( PF_BRIDGE , NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb- > dev, NULL ,
br_handle_frame_finish) ;
break ;
default :
//其它状态下的端口，不能处理数据包，直接丢弃。
drop:
kfree_skb( skb) ;
}
// 该数据包要么被网桥处理了，要么处理时出错，不需要上层协议处理，
// 返回NULL，代码（2）处不会处理该报文。
return NULL ;
}
|
1.6 br_handle_frame_finish函数
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]
| int br_handle_frame_finish( struct sk_buff * skb)
{
const unsigned char * dest = eth_hdr( skb) - > h_dest;
struct net_bridge_port * p = rcu_dereference( skb- > dev- > br_port) ;
struct net_bridge * br;
struct net_bridge_fdb_entry * dst;
struct sk_buff * skb2;
if ( ! p | | p- > state = = BR_STATE_DISABLED)
goto drop;
//对所有报的源MAC地址进行学习，这是网桥的特点之一，
//通过对源地址的学习来建立MAC地址到端口的映射。
br = p- > br;
br_fdb_update( br, p, eth_hdr( skb) - > h_source) ;
if ( p- > state = = BR_STATE_LEARNING)
goto drop;
// skb2指针表明，有数据要发往本机的网络接口，即p->br->dev接口。
skb2 = NULL ;
// 如果应用程序要dump本机接口的数据，那么该数据包应往主机发一份，
// 一个明显的例子就是在用户在运行tcpdump –I br0或类似的程序。
if ( br- > dev- > flags & IFF_PROMISC)
skb2 = skb;
dst = NULL ;
if ( is_multicast_ether_addr( dest) ) {
// 如果该报文是一个L2多播报文（如arp请求），那么它应该转发到
// 该网桥的所有接口。
// 这同样是网桥的一个特点，广播和组播报文要转发到它的所有接口。
br- > statistics. multicast+ + ;
skb2 = skb;
} else if ( ( dst = __br_fdb_get( br, dest) ) & & dst- > is_local) {
// __br_fdb_get函数先查MAC-端口映射表，这一步是网桥的关键。
// 这个报文应从哪个接口转发出去就看它了。
// 如果这个报文应发往本机，那么skb置空。不需要再转发了，
// 因为发往本机接口从逻辑上来说本身就是一个转发。
skb2 = skb;
skb = NULL ;
}
if ( skb2 = = skb)
skb2 = skb_clone( skb, GFP_ATOMIC) ;
// skb2不为空，表明要发往本机，br_pass_frame_up函数来完成发往
// 本机的工作。
if ( skb2)
br_pass_frame_up( br, skb2) ;
if ( skb) {
if ( dst)
// 由br_forward函数从dst所指向的端口将该报文发出去。
br_forward( dst- > dst, skb) ;
else
// 此报文是广播或组播报文，由br_flood_forward函数把报文向所有
// 端口转发出去。
br_flood_forward( br, skb) ;
}
out:
return 0;
drop:
kfree_skb( skb) ;
goto out;
}
|
1.7 通过br_pass_frame_up函数将报文发往本机接口。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]
| static void br_pass_frame_up( struct net_bridge * br, struct sk_buff * skb)
{
struct net_device * indev;
br- > statistics. rx_packets+ + ;
br- > statistics. rx_bytes + = skb- > len;
indev = skb- > dev;
skb- > dev = br- > dev;
//br->dev是一个虚拟的网络设备，这是网桥局域网通往本机的必经之道。
//请注意，br->dev是本机和网桥相连的接口。当报文经网桥处理后，发现
//该报文应该发往本机，那就使用netif_receive_skb函数将该报文向上层
//协议投递。并且要将skb->dev设置为本机接口即br->dev，并且所有数据在
//它的入口接口indev的驱动中已处理完毕，因此可直接通知上层协议来处理。
NF_HOOK( PF_BRIDGE , NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL ,
netif_receive_skb) ;
}
|
1.8 通过br_forward函数将报文从另一个端口转发出去
| void br_forward( const struct net_bridge_port * to, struct sk_buff * skb)
{
if ( should_deliver( to, skb) ) {
__br_forward( to, skb) ;
return ;
}
kfree_skb( skb) ;
}
|
Should_deliver函数来测试是否应将该包转发出去，它由出口端的状态和报文的入口端口信息来决定，它的定义如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
| static inline int should_deliver( const struct net_bridge_port * p,
const struct sk_buff * skb)
{
//1) 入口端口和出口端口不能相同，如果是相同的话，那么源主机和目标
// 主机在同一端口的子网段中，也即源主机和目标主机在同一广播域里面，
// 目标主机和网桥都会同时收到该报文，因此网桥无需多此一举。
//2) 如果出口端口的状态不是Forwarding，则不能转发出去。如果一个网桥
// 没有启用STP功能，并且网络接口的状态为UP，那么它网桥端口的状态
// 为Forwarding。如果启用STP，每个端口都有一个严格的状态，规定那些
// 端口在什么情况下才能成为Forwarding状态，否则容易造成环路，产生
// 网络风暴。
return ( skb- > dev ! = p- > dev & & p- > state = = BR_STATE_FORWARDING) ;
}
|
若报文的确需要转发，因为目标主机是在另一个子网段，而且没有其它网相连的网格端口可抵达该子网段（这里考虑到启用STP功能，如果搞不清楚可略过）。将调用__br_forward函数实施这一转发功能。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
| static void __br_forward( const struct net_bridge_port * to, struct sk_buff * skb)
{
struct net_device * indev;
indev = skb- > dev;
skb- > dev = to- > dev;
skb_forward_csum( skb) ;
// 通过br_forward_finish函数最终完成转发功能
NF_HOOK( PF_BRIDGE , NF_BR_FORWARD, skb, indev, skb- > dev,
br_forward_finish) ;
}
|
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
| int br_forward_finish( struct sk_buff * skb)
{
return NF_HOOK( PF_BRIDGE , NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL , skb- > dev, br_dev_queue_push_xmit) ;
}
|
Br_dev_queue_push_xmit在调用dev_queue_xmit函数前做些必要的检查工作。例如，报文的长度比出口端口的MTU还大，则丢掉该报文。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
| int br_dev_queue_push_xmit( struct sk_buff * skb)
{
/* drop mtu oversized packets except gso */
if ( packet_length( skb) > skb- > dev- > mtu & & ! skb_is_gso( skb) )
kfree_skb( skb) ;
else {
/* ip_refrag calls ip_fragment, doesn't copy the MAC header. */
if ( nf_bridge_maybe_copy_header( skb) )
kfree_skb( skb) ;
else {
// 网桥在处理数据包里，只需拆包来获得目标MAC地址，而不需要
// 更改数据包的任何内容。但在入口网卡的驱动中已将以太网头部
// 剥掉，现在需要将它套上。Skb_push函数实现这一功能。
skb_push( skb, ETH_HLEN) ;
// 放到网卡输出队列里，该网卡驱动将它送出去。
dev_queue_xmit( skb) ;
}
}
return 0;
}
|
1.9 br_flood_forward 函数把报文转发到网桥所有出口端口
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
| void br_flood_forward( struct net_bridge * br, struct sk_buff * skb)
{
br_flood( br, skb, __br_forward) ;
}
|
__br_forward代码已在前面分析过，它从指定的出口端口转发该报文。
而br_flood函数，把__br_forward函数作为回调函数，依次遍网桥的所有出口端，调用__br_forward函数将该报文转发出去。一 个广播报文从某一端口进入，应该其余的端口都应该转发出去，但入口端口就不需要了。下面的代码看似把报文从所有端口都转发一份，其实不 然，should_deliver会阻止这样的事情发生。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
| static void br_flood( struct net_bridge * br, struct sk_buff * skb,
void ( * __packet_hook) ( const struct net_bridge_port * p,
struct sk_buff * skb) )
{
struct net_bridge_port * p;
struct net_bridge_port * prev;
prev = NULL ;
list_for_each_entry_rcu( p, & br- > port_list, list ) {
if ( should_deliver( p, skb) ) {
if ( prev ! = NULL ) {
struct sk_buff * skb2;
if ( ( skb2 = skb_clone( skb, GFP_ATOMIC) ) = = NULL ) {
br- > statistics. tx_dropped+ + ;
kfree_skb( skb) ;
return ;
}
__packet_hook( prev, skb2) ;
}
prev = p;
}
}
if ( prev ! = NULL ) {
__packet_hook( prev, skb) ;
return ;
}
kfree_skb( skb) ;
}
|
本文详细解析了Linux网桥的工作原理和技术细节，包括网桥的数据结构、配置方法及数据包处理流程等关键内容。
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