linux路由内核实现分析(一)----邻居子节点

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#linux #struct #table #output #timer #statistics

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本文深入探讨了Linux内核中的三种路由结构：neigh_table、路由规则存储和路由地址缓存机制，解释了它们的功能及内部实现，包括结构定义、作用与交互方式。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

有三种路由结构：

1,neigh_table{} 结构和 neighbour{} 结构

　存储和本机物理上相邻的主机地址信息表，通常称为邻居子节点，指的是和本机相邻只有

　一跳的机器，其中 neigh_table{} 作为数据结构链表来表示 neighbour{} 表示相邻的机器节点

2, 路由规则的存储，判断了一个到达一个网络地址必须经过怎样的路由，使用 fib_table 来表示

3, 提供了路由地址的缓存机制，使用 rtable 链表来表示．

neigh_table 结构

struct neigh_table

{

struct neigh_table *next;

int family;

int entry_size;

int key_len;

__u32 (*hash)(const void *pkey, const struct net_device *);

int (*constructor)(struct neighbour *);

int (*pconstructor)(struct pneigh_entry *);

void (*pdestructor)(struct pneigh_entry *);

void (*proxy_redo)(struct sk_buff *skb);

char *id;

struct neigh_parms parms;

int gc_interval;

int gc_thresh1;

int gc_thresh2;

int gc_thresh3;

unsigned long last_flush;

struct timer_list gc_timer;

struct timer_list proxy_timer;

struct sk_buff_head proxy_queue;

atomic_t entries;

rwlock_t lock;

unsigned long last_rand;

struct kmem_cache *kmem_cachep;

struct neigh_statistics *stats;

struct neighbour **hash_buckets;

unsigned int hash_mask;

__u32 hash_rnd;

unsigned int hash_chain_gc;

struct pneigh_entry **phash_buckets;

#ifdef CONFIG_PROC_FS

struct proc_dir_entry *pde;

#endif

};

struct proc_dir_entry *pde

这个成员是 linux 2.6 中添加了对 proc 文件系统的支持，但是我没有找到 proc 文件系统中

有直接相关于邻居节点的信息，估计是和其他结构一起向用户态提供了路由信息，有可能

是输出到 /proc/net/route 里面．

struct neigh_table *next; 　 // 下一个邻居表 , 实际上就是 ARP 报文到达的下一台机器

int family;// 地址族，对于以太网而言就是 AF_INET

int entry_size; // 入口长度 , 也就是一个邻居结构的大小 , 初始化为 sizeof(neighbour)+4(4 为一个 IP 地址的长度 )

// 哈希关键值长度即 IP 地址的长度，为 4

int key_len;

__u32 (*hash)(const void *pkey, const struct net_device *); 构造出存放和检索这个 neigh_table 的 neighbour 的哈希函数　　

// 允许邻居的上限，根据网络的类型，大小会有所变化，例如 C 类地址，邻居限制就应该小于 255

int gc_thresh3

// 哈希数组，存入其中的邻居，在一个 neigh_table 里面，最多可以有 32 个 neighbour 结构的链表．

struct neighbour **hash_buckets;

int entries // 整个 neigh_table 中邻居的数量

unsigned int 　 hash_mask; // 哈希数组大小的掩码

neighbour 结构

struct neighbour

{

struct neighbour *next;

struct neigh_table *tbl;

struct neigh_parms *parms;

struct net_device *dev;

unsigned long used;

unsigned long confirmed;

unsigned long updated;

__u8 flags;

__u8 nud_state;

__u8 type;

__u8 dead;

atomic_t probes;

rwlock_t lock;

unsigned char ha[(MAX_ADDR_LEN+sizeof(unsigned long)-1)&~(sizeof(unsigned long)-1)];

struct hh_cache *hh;

atomic_t refcnt;

int (*output)(struct sk_buff *skb);

struct sk_buff_head arp_queue;

struct timer_list timer;

struct neigh_ops *ops;

u8 primary_key[0];

};

struct neigh_table 　 *tbl;// 所在的邻居表，指向上层的 neigh_table 结构

struct net_device *dev;// 邻居所对应的网络设备接口指针

int (*output)(struct sk_buff *skb);// 找到合适的邻居节点之后，系统将调用这个函数指针，

使用结构中的 dev 设备，将数据包发送出去，如果协议

　　　　　　　　　　　　　　族是 AF_INET ，将调用 dev_queue_xmit 函数发送数据

u8 primary_key[0];// 哈希关键字

// 这段代码完成函数指针的转换（ net/ipv4/arp.c ）

static struct neigh_ops arp_hh_ops = {

.family = AF_INET,

.solicit = arp_solicit,

.error_report = arp_error_report,

.output = neigh_resolve_output,

.connected_output = neigh_resolve_output,

.hh_output = dev_queue_xmit,

.queue_xmit = dev_queue_xmit,

};

邻居节点相关的操作：

查找到路由后，会调用 arp_bind_neighbour 绑定一个邻居项

int arp_bind_neighbour(struct dst_entry *dst)

{

struct net_device *dev = dst->dev;

struct neighbour *n = dst->neighbour;

if (dev == NULL)

return -EINVAL;

// 如果这个邻居不存在，则执行 __neigh_lookup_errno

if (n == NULL) {

__be32 nexthop = ((struct rtable*)dst)->rt_gateway;

if (dev->flags&(IFF_LOOPBACK|IFF_POINTOPOINT))

nexthop = 0;

n = __neigh_lookup_errno(

//ATM 网络和以太网络调用了不同的 neigh_table, 作为以太网络将调用 &arp_tbl 作为 neigh_table 的入口

#if defined(CONFIG_ATM_CLIP) || defined(CONFIG_ATM_CLIP_MODULE)

dev->type == ARPHRD_ATM ? clip_tbl_hook :

#endif

&arp_tbl, &nexthop, dev);

if (IS_ERR(n))

return PTR_ERR(n);

dst->neighbour = n;

}

return 0;

}

__neigh_lookup_errno 函数

static inline struct neighbour *

__neigh_lookup_errno(struct neigh_table *tbl, const void *pkey,

struct net_device *dev)

{

// 在邻居表中查找邻居项，如果不存在，则新建一项

struct neighbour *n = neigh_lookup(tbl, pkey, dev);

if (n)

return n;

// 新建邻居项

return neigh_create(tbl, pkey, dev);

}

neigh_lookup 函数

struct neighbour *neigh_lookup(struct neigh_table *tbl, const void *pkey,

struct net_device *dev)

{

struct neighbour *n;

int key_len = tbl->key_len;

u32 hash_val = tbl->hash(pkey, dev);

NEIGH_CACHE_STAT_INC(tbl, lookups);

read_lock_bh(&tbl->lock);

// 以下代码可以看出，通过指定的 neigh_table 入口，找到 hash_buckets,

// 因为所有的 neighbour 链表是经过哈希的，所以再通过传入的哈希值作为

　　 // 下标最后找到链表头，然后在往下遍历，直到找到相对应的 neighbour 结构

// 为止

for (n = tbl->hash_buckets[hash_val & tbl->hash_mask]; n; n = n->next) {

if (dev == n->dev && !memcmp(n->primary_key, pkey, key_len)) {

neigh_hold(n);

NEIGH_CACHE_STAT_INC(tbl, hits);

break;

}

read_unlock_bh(&tbl->lock);

return n;

}

如果到邻居表中寻找对应的邻居项，如果不存在，则新建一项。继续跟进
调用 neigh_create 函数

struct neighbour *neigh_create(struct neigh_table *tbl, const void *pkey,

struct net_device *dev)

{

u32 hash_val;

int key_len = tbl->key_len;

int error;

struct neighbour *n1, *rc, *n = neigh_alloc(tbl);

if (!n) {

rc = ERR_PTR(-ENOBUFS);

goto out;

}

// 每个 neighbour 的哈希就是在这里计算的，实际上我们可以看出，

　　 // 所谓的哈希值就是目的 IP

memcpy(n->primary_key, pkey, key_len);

n->dev = dev;

dev_hold(dev);

if (tbl->constructor && (error = tbl->constructor(n)) < 0) {

rc = ERR_PTR(error);

goto out_neigh_release;

}

if (n->parms->neigh_setup &&

(error = n->parms->neigh_setup(n)) < 0) {

rc = ERR_PTR(error);

goto out_neigh_release;

}

n->confirmed = jiffies - (n->parms->base_reachable_time << 1);

write_lock_bh(&tbl->lock);

if (atomic_read(&tbl->entries) > (tbl->hash_mask + 1))

neigh_hash_grow(tbl, (tbl->hash_mask + 1) << 1);

hash_val = tbl->hash(pkey, dev) & tbl->hash_mask;

if (n->parms->dead) {

rc = ERR_PTR(-EINVAL);

goto out_tbl_unlock;

}

// 查找所添加的邻居是否已经存在

for (n1 = tbl->hash_buckets[hash_val]; n1; n1 = n1->next) {

if (dev == n1->dev && !memcmp(n1->primary_key, pkey, key_len)) {

neigh_hold(n1);

rc = n1;

goto out_tbl_unlock;

}

n->next = tbl->hash_buckets[hash_val];

tbl->hash_buckets[hash_val] = n;

n->dead = 0;

neigh_hold(n);

write_unlock_bh(&tbl->lock);

NEIGH_PRINTK2("neigh %p is created./n", n);

rc = n;

out:

return rc;

out_tbl_unlock:

write_unlock_bh(&tbl->lock);

out_neigh_release:

neigh_release(n);

goto out;

}