linux内核TCP/IP协议栈(III)

mzsm 2015-05-22

展开全文

数据结构-net_device

结构所在文件：include/linux/netdevice.h，成员结构相当复杂，这个结构也是SKB中的一个成员之一。

unsigned longfeatures;

接口支持的特性。这些标志由内核管理，其中有些由接口在初始化期间设置，用来声明接口的各种能力及特性。

#define NETIF_F_SG1/* Scatter/gather IO. */

#define NETIF_F_IP_CSUM2/* Can checksum only TCP/UDP over IPv4. */

#define NETIF_F_NO_CSUM4/* Does not require checksum. F.e. loopack. */

#define NETIF_F_HW_CSUM8/* Can checksum all the packets. */

#define NETIF_F_HIGHDMA32/* Can DMA to high memory. */

#define NETIF_F_FRAGLIST64/* Scatter/gather IO. */

#define NETIF_F_HW_VLAN_TX128/* Transmit VLAN hw acceleration */

#define NETIF_F_HW_VLAN_RX256/* Receive VLAN hw acceleration */

#define NETIF_F_HW_VLAN_FILTER512/* Receive filtering on VLAN */

#define NETIF_F_VLAN_CHALLENGED 1024/* Device cannot handle VLAN packets */

#define NETIF_F_GSO2048/* Enable software GSO. */

#define NETIF_F_LLTX4096/* LockLess TX */

unsigned intflags;/* interface flags (a la BSD)*/

unsignedmtu;/* interface MTU value*/

unsigned shorttype;/* interface hardware type*/

unsigned shorthard_header_len;/* hardware hdr length*/

硬件首部长度，以太网为14B

struct net_device*master;

在启用了bonding网络负载均衡以后，指向bonding的虚拟设备。

unsigned charperm_addr[MAX_ADDR_LEN]; /* permanent hw address */

硬件地址

void*ip_ptr;/* IPv4 specific data*/

IPv4相关设置存放在这个字段中，指针指向struct in_device。涉及到IP编址的部分内容，见下一个章节。

Int (*poll)(struct net_device *dev, int *quota);

网卡设备dev接收报文时候的轮询函数。

Int quota

读取数据包的配额，动态变化，每次从网络设备中读取数据包的时候，会从中减去本次读取的数据包数。当配额小于0时，结束轮询，这样即使当前网络设备上有大量的数据包输入，也能保证其他设备及时接收数据包。

网络设备的注册启用禁用

这部分内容并非协议栈的重点，这里不在展开来讲

IP编址

IP地址的组织

与IPv4相关的配置存放在in_device（IP配置快）结构中，IP地址、子网掩码、广播地址等信息放在in_ifaddr结构中。

struct in_device

所在文件：include/linux/inetdevice.h

IP配置块。

网络设备层与IPv4相关的配置再放在in_device结构中，应用层可以通过ip或者ifconfig工具来修改这些配置。该结构的实例保存在net_device结构成员ip_ptr指针中。只有为设备设置第一个IP地址的时候，在函数inetdev_init()中才会分配并初始化in_device结构实例。

struct in_ifaddr*ifa_list;/* IP ifaddr chain*/

指向in_ifaddr结构的链表。in_ifaddr结构中存储了网络设备的IP地址，因为一个网络设备可配置多个IP地址，因此需要链表来存储。

in_ifaddr结构

in_ifaddr结构：用于存储主机的IP地址、子网掩码、广播地址，这些配置属于主机，但是又配置到网络设备上，一个网络设备有多少个IP地址，就有多少了IP地址块。

管理函数

函数所在文件：net/ipv4/devinet.h

inetdev_init()

为通过参数指定的网络设备分配IP配置块。

inet_select_addr()

再通过输出网络设备向目的地址发送报文的时候，如果没有指定源地址，会调用这个函数来根据给定的设备、目的地址和作用范围，获取给定作用范围的主IP地址作为源地址。

Dev：获取源地址的网络设备

Dst：目的地址

Scope：作用范围

RT_SCOPE_HOST

RT_SCOPE_LINK

RT_SCOPE_UNIVERSE

使用for_primary_ifa宏遍历到第一个符合条件的IP地址。inet_ifa_match函数用来判断两个IP是不是属于一个字网。优先选定在一个网段的源IP，否则的话随便选一个。

IP地址的设置

Ifconfig---->ioctl

Ip address---->netlink

Ioctl和netlink的相关知识不在本讲的范围内，请自行查阅相关资料。

第二部分接口层

接口层的输入

1、背景

系统如何得知数据包的到达并接收？

方案一：当数据包到达网络设备的时候，通常会触发硬件中断。系统在不支持软中断时，数据包的输入只能完全由硬件中断处理。缺点：频繁的硬件中断占用过多的CPU资源，使得用户进程处于饥渴状态。

方案二：数据包到达网络设备不会触发硬件中断，在这种情况下，只能通过定时器轮询网络设备的状态，发现有数据包到达时，才从网络设备中读取数据包并输入到协议栈。这种情况下，数据包的输入完全依赖于定时器触发的频率，如果频率过高，同样也消耗CPU资源，频率过低，数据包吞吐量过分低下。

2、接口层的初始化

net_dev_init():所在文件：net/core/dev.c

函数解释：

softnet_data结构

位置：include/linux/netdevice.h

描述了与网络软中断处理相关的报文输入和输出队列，每个CPU有一个单独的softnet_data实例，因此在操作该结构中的成员时不必加锁。

struct net_device *output_queue：

数据包输出软中断中输出数据包的网络设备队列。处于报文输出状态的网络设备添加到该队列上，在数据包输出软中断中，会遍历该队列，从网络设备的排队规则中获取数据包并输出。

struct sk_buff_head input_pkt_queue：

非NAPI的接口缓存队列。对于非NAPI的驱动，通常在硬中断中或通过轮询读取报文后，调用netif_rx()将接收到的报文传递到上层，即先将报文缓存到input_pkt_queue队列中，然后产生一个数据包输入软中断，由软中断例程将报文传递到上层。这在接口接收数据包的速率比协议栈和应用层快的时候非常有用。队列长度上限参见系统参数netdev_max_backlog。

struct list_head poll_list：

网络设备轮询队列。处于报文接受状态的网络设备链接到该队列上，在数据报输入软中断中，会遍历该队列，通过轮询方式接受报文。

struct sk_buff *completion_queue：

完成发送数据包的等待释放队列。需在适当的时机释放发送完成的数据，在发送报文软中断中会检测该队列。

NAPI

NAPI是中断机制与轮询机制的混合体，能有效的提高网络处理速度。在网络负荷较重的时候，NAPI可以显著减少由于接受数据包而产生的硬中断数量，对于高速率、短长度的数据包的处理非常有效。

实现方法：当一批数据包中的第一个数据包到达网络设备的时候，会以硬中断的方式通知系统；在硬终端例程中（网卡设备的中断驱动程序），系统将该设备添加到CPU的设备轮询队列中，并关闭中断，同时激活数据包输入软中断；由软中断例程遍历轮询队列中的网络设备，从中读取数据包。这样，在内核从网络设备中接收报文的过程中，若有新的报文到来，NAPI也无需执行中断例程，只需要维护队列，就能读到新的报文。

网络设备中断例程