如何學習 Linux 內核網絡協議棧

準備工作

對於沒有學習過 Linux 內核網絡的人來說，可能會對這個它產生嚮往，也有可能產生恐懼。但當你深入理解並且驗證後得到正反饋時，那種豁然開朗的感覺，會讓你感到滿足，信可樂也。

回想當初自己進入這個主題時，我產生過以下疑問：

Q1：內核網絡子系統這麼大，我應該從何處開始？會不會栽到裏面就暈了？Q2：內核網絡代碼更新地那麼快，應該從哪個版本開始學習？
Q3：有沒有什麼好的資料，教程？
Q4：如何驗證自己的理解是否正確？

那麼現在，我可以簡單主觀回答下：

Q1：內核網絡子系統這麼大，我應該從何處開始？會不會栽到裏面就暈了？

內核網絡子系統的代碼雖然看着多，但核心流程和旁支還是分離的。並且，我認爲它的水平是超過一大票開源代碼的。註釋的地方夠用，炫技的地方寥寥，每一處修改都能從社區 GIT 倉庫找到修改的原因，這已經很好了。

Q2：內核網絡代碼更新地那麼快，應該從哪個版本開始學習？

需要哪個版本就用哪個版本。如果工作中指定了版本, 那麼就選擇它。如果教程書籍中是基於某個版本，那麼就選擇它。如果只是自己研究，那麼我建議預先幾個版本的代碼：比如 2.6、3.7、4.4、4.9、5.3 (這些版本號是我拍腦袋寫的)。

Q3：有沒有什麼好的資料，教程？

我是沒有見到過完整的教程，我覺得可能是內容太多太雜的原因。不過，幾乎所有方面互聯網上都有相關內容的討論和分析。

Q4：如何驗證自己的理解是否正確？

驗證是十分重要的，否則你怎麼知道是不是對的呢。除了使用 printk 加調試信息重新編譯內核這種原始手段外，有一些更聰明的工具可以幫上忙。

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協議棧的細節

下面將介紹一些內核網絡協議棧中常常涉及到的概念.

sk_buff

內核顯然需要一個數據結構來表示報文，這個結構就是 sk_buff (socket buffer 的簡稱)，它等同於在 < TCP/IP 詳解 卷 2 > 中描述的 BSD 內核中的 mbuf。

sk_buff 結構自身並不存儲報文內容，它通過多個指針指向真正的報文內存空間:

sk_buff 是一個貫穿整個協議棧層次的結構，在各層間傳遞時，內核只需要調整 sk_buff 中的指針位置就行。

net_device

內核使用 net_device 表示網卡。網卡可以分爲物理網卡和虛擬網卡。物理網卡是指真正能把報文發出本機的網卡，包括真實物理機的網卡以及 VM 虛擬機的網卡，而像 tun/tap，vxlan、veth pair 這樣的則屬於虛擬網卡的範疇。

如下圖所示，每個網卡都有兩端，一端是協議棧 (IP、TCP、UDP)，另一端則有所區別，對物理網卡來說，這一端是網卡生產廠商提供的設備驅動程序，而對虛擬網卡來說差別就大了，正是由於虛擬網卡的存在，內核才能支持各種隧道封裝、容器通信等功能。

socket & sock

用戶空間通過 socket()、bind()、listen()、accept() 等庫函數進行網絡編程。而這裏提到的 socket 和 sock 是內核中的兩個數據結構，其中 socket 向上面向用戶，而 sock 向下面向協議棧。

如下圖所示，這兩個結構實際上是一一對應的.

注意到，這兩個結構上都有一個叫 ops 的指針, 但它們的類型不同。socket 的 ops 是一個指向 struct proto_ops 的指針，sock 的 ops 是一個指向 struct proto 的指針, 它們在結構被創建時確定

回憶網絡編程中 socket() 函數的原型

#include <sys/socket.h>

sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);

實際上, socket->ops 和 sock->ops 由前兩個參數 socket_family 和 socket_type 共同確定。

如果 socket_family 是最常用的 PF_INET 協議簇, 則 socket->ops 和 sock->ops 的取值就記錄在 INET 協議開關表中

static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
    {
        .type =       SOCK_STREAM,
        .protocol =   IPPROTO_TCP,
        .prot =       &tcp_prot,                 // 對應 sock->ops
        .ops =        &inet_stream_ops,          // 對應 socket->ops
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
                  INET_PROTOSW_ICSK,
    },

    {
        .type =       SOCK_DGRAM,
        .protocol =   IPPROTO_UDP,
        .prot =       &udp_prot,                 // 對應 sock->ops
        .ops =        &inet_dgram_ops,           // 對應 socket->ops
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },
    }
    .......

L3->L4

我們知道網絡協議棧是分層的，但實際上，具體到實現，內核協議棧的分層只是邏輯上的，本質還是函數調用。發送流程 (上層調用下層) 通常是直接調用(因爲沒有不確定性，比如 TCP 知道下面一定 IP)，但接收過程不一樣了，比如報文在 IP 層時，它上面可能是 TCP，也可能是 UDP，或者是 ICMP 等等，所以接收過程使用的是註冊 - 回調機制。

還是以 INET 協議簇爲例，註冊接口是

int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol);

在內核網絡子系統初始化時，L4 層協議 (如下面的 TCP 和 UDP) 會被註冊

static struct net_protocol tcp_protocol = {
    ......
    .handler    =    tcp_v4_rcv,
    ......
};

static struct net_protocol udp_protocol = {
    .....
    .handler =    udp_rcv,
    .....
};

而在 IP 層，查詢過路由後，如果該報文是需要上送本機的，則會根據報文的 L4 協議，送給不同的 L4 處理

static int ip_local_deliver_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
      ......
      ipprot = rcu_dereference(inet_protos[protocol]);
      ......
      ret = ipprot->handler(skb);     
      ......
}

L2->L3

L2->L3 如出一轍。只不過註冊接口變成了

void dev_add_pack(struct packet_type *pt)

誰會註冊呢？顯然至少 IP 會

static struct packet_type ip_packet_type = {
    .type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
    .func = ip_rcv,
}

而在報文接收過程中，設備驅動程序會將報文的 L3 類型設置到 skb->protocol，然後在內核 netif_receive_skb 收包時，會根據這個 protocol 調用不同的回調函數

__netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
    ......
    type = skb->protocol;
    ......
    ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
}

NetfilterLinux 內核源碼技術學習路線 + 視頻教程代碼資料 Netfilter

Netfilter 是報文在內核協議棧必然會通過的路徑，我們從下面這張圖就可以看到，Netfilter 在內核的 5 個地方設置了 HOOK 點，用戶可以通過配置 iptables 規則，在 HOOK 點對報文進行過濾、修改等操作。

在內核代碼中，我們時常可一件 NF_HOOK 這樣的調用。我的建議是，如果你暫時不考慮 Netfilter，那麼就直接跳過, 跟蹤 okfn 就行。

static inline int
NF_HOOK(uint8_t pf, unsigned int hook, struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
    struct net_device *in, struct net_device *out,
    int (*okfn)(struct net *, struct sock *, struct sk_buff *))
{
    int ret = nf_hook(pf, hook, net, sk, skb, in, out, okfn);
    if (ret == 1)
        ret = okfn(net, sk, skb);
    return ret;
}

dst_entry

內核需要確定收到的報文是應該本地上送 (local deliver) 還是轉發 (forward), 對本機發送(local out) 的報文需要確定是從哪個網卡發送出去，這都是內核通過查詢 fib (forward information base, 轉發信息表) 確定。fib 可以理解爲一個數據庫，數據來源是用戶配置或者內核自動生成的路由。

fib 查詢的輸入是報文 sk_buff，輸出是 dst_entry. dst_entry 會被設置到 skb 上

static inline void skb_dst_set(struct sk_buff *skb, struct dst_entry *dst)
{
    skb->_skb_refdst = (unsigned long)dst;
}
而 dst_entry 中最重要的是一個 input 指針和 output 指針

struct dst_entry {

......
int            (*input)(struct sk_buff *);
int            (*output)(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb);
......

}

- 對於需要本機上送的報文

rth->dst.input = ip_local_deliver;

- 對需要轉發的報文

rth->dst.input = ip_forward;

- 對本機發送的報文

rth->dst.output = ip_output;

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/4haBiI6OEpILsX6eWk9RNg

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