Linux内核网络协议栈2（基于Linux6.6）---数据包的发送过程介绍
一、概述
1.1、起始阶段
- 应用程序生成数据：
- 应用程序（如浏览器、文件传输程序等）生成需要通过网络发送的数据。
- 系统调用：
- 应用程序通过系统调用（如send()、sendto()等）与操作系统交互，请求发送数据。这些系统调用通常与套接字（socket）接口进行交互。
1.2、套接字层处理
- 查找socket：
- 系统调用内部会查找与给定文件描述符（fd）关联的socket。
- 数据拷贝：
- 用户态的数据被拷贝到内核态的socket发送缓冲区中。
- 挂到发送队列：
- 数据被封装成sk_buff（socket buffer）结构，并挂到发送队列上。发送队列是由sk_buff组成的一个链表。
1.3、协议栈处理
- 传输层处理：
- 数据进入传输层（如TCP层），进行传输层的处理。
- 对于TCP协议，会进行拥塞控制、滑动窗口计算等，并添加TCP头部信息。
- 如果数据包大小超过MTU（最大传输单元），则进行分片处理。
- 网络层处理：
- 数据离开传输层，进入网络层（如IP层）。
- 在网络层，会进行路由查找，确定数据包的下一跳IP地址。
- 添加IP头部信息，包括源IP地址、目标IP地址、TTL（生存时间）等。
- 数据链路层处理：
- 数据到达数据链路层（如以太网层）。
- 在数据链路层，会进行物理地址寻址，找到下一跳的MAC地址。
- 添加帧头和帧尾，包括源MAC地址、目标MAC地址等信息。
1.4、网卡驱动与硬件发送
- 软中断通知：
- 当数据包准备好后，会触发软中断，通知网卡驱动有数据包需要发送。
- 驱动程序处理：
- 网卡驱动程序从发送队列中取出数据包，并准备将其发送到物理网卡上。
- DMA传输：
- 网卡驱动程序利用DMA（直接内存访问）技术，将数据包从内存传输到网卡的发送缓冲区中。
- 网卡发送：
- 网卡从发送缓冲区中读取数据包，并通过物理媒介（如以太网、Wi-Fi等）将其发送到网络上。
1.5、发送完成与确认
- 硬中断通知：
- 当数据包发送完成后，网卡会向CPU发送一个硬中断，通知发送完成。
- 清理与释放：
- CPU响应硬中断，并调用相应的中断处理函数来清理发送缓冲区，释放相关资源。
- ACK应答：
- 对于TCP协议，接收方在接收到数据包后会发送ACK应答，确认数据包已成功接收。
二、socket层
+-------------+
| Application |
+-------------+
|
|
↓
+------------------------------------------+
| socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP) |
+------------------------------------------+
|
|
↓
+-------------------+
| sendto(sock, ...) |
+-------------------+
|
|
↓
+--------------+
| inet_sendmsg |
+--------------+
|
|
↓
+---------------+
| inet_autobind |
+---------------+
|
|
↓
+-----------+
| UDP layer |
+-----------+
- socket(…)： 创建一个socket结构体，并初始化相应的操作函数，由于我们定义的是UDP的socket，所以里面存放的都是跟UDP相关的函数
- sendto(sock, …)： 应用层的程序（Application）调用该函数开始发送数据包，该函数数会调用后面的inet_sendmsg
- inet_sendmsg： 该函数主要是检查当前socket有没有绑定源端口，如果没有的话，调用inet_autobind分配一个，然后调用UDP层的函数
- inet_autobind： 该函数会调用socket上绑定的get_port函数获取一个可用的端口，由于该socket是UDP的socket，所以get_port函数会调到UDP代码里面的相应函数。
三、UDP层
|
|
↓
+-------------+
| udp_sendmsg |
+-------------+
|
|
↓
+----------------------+
| ip_route_output_flow |
+----------------------+
|
|
↓
+-------------+
| ip_make_skb |
+-------------+
|
|
↓
+------------------------+
| udp_send_skb(skb, fl4) |
+------------------------+
|
|
↓
+----------+
| IP layer |
+----------+
- udp_sendmsg： udp模块发送数据包的入口，该函数较长，在该函数中会先调用ip_route_output_flow获取路由信息（主要包括源IP和网卡），然后调用ip_make_skb构造skb结构体，最后将网卡的信息和该skb关联。
- ip_route_output_flow： 该函数会根据路由表和目的IP，找到这个数据包应该从哪个设备发送出去，如果该socket没有绑定源IP，该函数还会根据路由表找到一个最合适的源IP给它。如果该socket已经绑定了源IP，但根据路由表，从这个源IP对应的网卡没法到达目的地址，则该包会被丢弃，于是数据发送失败，sendto函数将返回错误。该函数最后会将找到的设备和源IP塞进flowi4结构体并返回给udp_sendmsg
- ip_make_skb： 该函数的功能是构造skb包，构造好的skb包里面已经分配了IP包头，并且初始化了部分信息（IP包头的源IP就在这里被设置进去），同时该函数会调用__ip_append_dat，如果需要分片的话，会在__ip_append_data函数中进行分片，同时还会在该函数中检查socket的send buffer是否已经用光，如果被用光的话，返回ENOBUFS
- udp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb里面填充UDP的包头，同时处理checksum，然后调用IP层的相应函数。
四、IP层
|
|
↓
+-------------+
| ip_send_skb |
+-------------+
|
|
↓
+-------------------+ +-------------------+ +---------------+
| __ip_local_out_sk |------>| NF_INET_LOCAL_OUT |------>| dst_output_sk |
+-------------------+ +-------------------+ +---------------+
|
|
↓
+------------------+ +----------------------+ +-----------+
| ip_finish_output |<-------| NF_INET_POST_ROUTING |<------| ip_output |
+------------------+ +----------------------+ +-----------+
|
|
↓
+-------------------+ +------------------+ +----------------------+
| ip_finish_output2 |----->| dst_neigh_output |------>| neigh_resolve_output |
+-------------------+ +------------------+ +----------------------+
|
|
↓
+----------------+
| dev_queue_xmit |
+----------------+
- ip_send_skb： IP模块发送数据包的入口，该函数只是简单的调用一下后面的函数
- __ip_local_out_sk： 设置IP报文头的长度和checksum，然后调用下面netfilter的钩子
- NF_INET_LOCAL_OUT： netfilter的钩子，可以通过iptables来配置怎么处理该数据包，如果该数据包没被丢弃，则继续往下走
- dst_output_sk： 该函数根据skb里面的信息，调用相应的output函数，在我们UDP IPv4这种情况下，会调用ip_output
- ip_output： 将上面udp_sendmsg得到的网卡信息写入skb，然后调用NF_INET_POST_ROUTING的钩子
- NF_INET_POST_ROUTING： 在这里，用户有可能配置了SNAT，从而导致该skb的路由信息发生变化
- ip_finish_output： 这里会判断经过了上一步后，路由信息是否发生变化，如果发生变化的话，需要重新调用dst_output_sk（重新调用这个函数时，可能就不会再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函数里，这里有可能是xfrm4_transport_output），否则往下走
- ip_finish_output2： 根据目的IP到路由表里面找到下一跳(nexthop)的地址，然后调用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表里面找下一跳的neigh信息，没找到的话会调用__neigh_create构造一个空的neigh结构体
- dst_neigh_output： 在该函数中，如果上一步ip_finish_output2没得到neigh信息，那么将会走到函数neigh_resolve_output中，否则直接调用neigh_hh_output，在该函数中，会将neigh信息里面的mac地址填到skb中，然后调用dev_queue_xmit发送数据包
- neigh_resolve_output： 该函数里面会发送arp请求，得到下一跳的mac地址，然后将mac地址填到skb中并调用dev_queue_xmit
五、netdevice子系统
|
|
↓
+----------------+
+----------------| dev_queue_xmit |
| +----------------+
| |
| |
| ↓
| +-----------------+
| | Traffic Control |
| +-----------------+
| loopback |
| or +---------------------------------------------+
| IP tunnels ↓ ↓
| ↓ ↓
| +-------------+ Failed +-------------------+
+------>| dev_hard_start_xmit |--->| raise NET_TX_SOFTIRQ |- - >| net_tx_action |
+-------------+ +-------------------+
|
+----------------------------------+
| |
↓ ↓
+----------------+ +------------------------+
| ndo_start_xmit | | packet taps(AF_PACKET) |
+----------------+ +------------------------+
- dev_queue_xmit： netdevice子系统的入口函数，在该函数中，会先获取设备对应的qdisc，如果没有的话（如loopback或者IP tunnels），就直接调用dev_hard_start_xmit，否则数据包将经过Traffic Control模块进行处理
- Traffic Control： 这里主要是进行一些过滤和优先级处理，在这里，如果队列满了的话，数据包会被丢掉，详情请参考文档，这步完成后也会走到dev_hard_start_xmit
- dev_hard_start_xmit： 该函数中，首先是拷贝一份skb给“packet taps”，tcpdump就是从这里得到数据的，然后调用ndo_start_xmit。如果dev_hard_start_xmit返回错误的话（大部分情况可能是NETDEV_TX_BUSY），调用它的函数会把skb放到一个地方，然后抛出软中断NET_TX_SOFTIRQ，交给软中断处理程序net_tx_action稍后重试（如果是loopback或者IP tunnels的话，失败后不会有重试的逻辑）
- ndo_start_xmit： 这是一个函数指针，会指向具体驱动发送数据的函数
六、Device Driver
ndo_start_xmit会绑定到具体网卡驱动的相应函数，到这步之后，就归网卡驱动管了，不同的网卡驱动有不同的处理方式，这里不做详细介绍，其大概流程如下：
- 将skb放入网卡自己的发送队列
- 通知网卡发送数据包
- 网卡发送完成后发送中断给CPU
- 收到中断后进行skb的清理工作
在网卡驱动发送数据包过程中，会有一些地方需要和netdevice子系统打交道，比如网卡的队列满了，需要告诉上层不要再发了，等队列有空闲的时候，再通知上层接着发数据。
- SO_SNDBUF: 从上面的流程中可以看出来，对于UDP来说，没有一个对应send buffer存在，SO_SNDBUF只是一个限制，当这个socket分配的skb占用的内存超过这个值的时候，会返回ENOBUFS，所以说只要不出现ENOBUFS错误，把这个值调大没有意义。从sendto函数的帮助文件里面看到这样一句话：(Normally,this does not occur in Linux. Packets are just silently dropped when a device queue overflows.)。这里的device queue应该指的是Traffic Control里面的queue，说明在linux里面，默认的SO_SNDBUF值已经够queue用了，疑问的地方是，queue的长度和个数是可以配置的，如果配置太大的话，按道理应该有可能会出现ENOBUFS的情况。
- txqueuelen: 很多地方都说这个是控制qdisc里queue的长度的，但貌似只是部分类型的qdisc用了该配置，如linux默认的pfifo_fast。
- hardware RX: 一般网卡都有一个自己的ring queue，这个queue的大小可以通过ethtool来配置，当驱动收到发送请求时，一般是放到这个queue里面，然后通知网卡发送数据，当这个queue满的时候，会给上层调用返回NETDEV_TX_BUSY。
- packet taps(AF_PACKET): 当第一次发送数据包和重试发送数据包时，都会经过这里，如果发生重试的情况的话，不确定tcpdump是否会抓到两次包，按道理应该不会，可能是我哪里没看懂。
扫一扫
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
