Linux数据包的发送过程

本篇内容介绍了“linux数据包的发送过程”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

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。

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，***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***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。

IP层

        |          |          &darr;   +-------------+   | ip_send_skb |   +-------------+          |          |          &darr;  +-------------------+       +-------------------+       +---------------+  | __ip_local_out_sk |------>| NF_INET_LOCAL_OUT |------>| dst_output_sk |  +-------------------+       +-------------------+       +---------------+                                                                  |                                                                  |                                                                  &darr; +------------------+        +----------------------+       +-----------+ | ip_finish_output |<-------| NF_INET_POST_ROUTING |<------| ip_output | +------------------+        +----------------------+       +-----------+          |          |          &darr;  +-------------------+      +------------------+       +----------------------+  | ip_finish_output2 |----->| dst_neigh_output |------>| neigh_resolve_output |  +-------------------+      +------------------+       +----------------------+                                                                   |                                                                   |                                                                   &darr;                                                           +----------------+                                                           | 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

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

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：

1. 将skb放入网卡自己的发送队列

2. 通知网卡发送数据包

3. 网卡发送完成后发送中断给CPU

4. 收到中断后进行skb的清理工作

在网卡驱动发送数据***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。

其它

• 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***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

“Linux数据包的发送过程”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注编程网网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！