协议栈的细节
下面将介绍一些内核网络协议栈中常常涉及到的概念。
sk_buff
内核显然需要一个数据结构来表示报文，这个结构就是 sk_buff ( socket buffer 的简称)，它等同于在<TCP/IP详解 卷2>中描述的 BSD 内核中的 mbuf。
sk_buff 结构自身并不存储报文内容，它通过多个指针指向真正的报文内存空间:
sk_buff 是一个贯穿整个协议栈层次的结构，在各层间传递时，内核只需要调整 sk_buff 中的指针位置就行。
net_device
内核使用 net_device 表示网卡。网卡可以分为物理网卡和虚拟网卡。物理网卡是指真正能把报文发出本机的网卡，包括真实物理机的网卡以及VM虚拟机的网卡，而像 tun/tap，vxlan、veth pair 这样的则属于虚拟网卡的范畴。
如下图所示，每个网卡都有两端，一端是协议栈(IP、TCP、UDP)，另一端则有所区别，对物理网卡来说，这一端是网卡生产厂商提供的设备驱动程序，而对虚拟网卡来说差别就大了，正是由于虚拟网卡的存在，内核才能支持各种隧道封装、容器通信等功能。
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socket & sock
用户空间通过 socket()、bind()、listen()、accept() 等库函数进行网络编程。而这里提到的 socket 和 sock 是内核中的两个数据结构，其中 socket 向上面向用户，而 sock 向下面向协议栈。
如下图所示，这两个结构实际上是一一对应的。
注意到，这两个结构上都有一个叫 ops 的指针, 但它们的类型不同。socket 的 ops 是一个指向 struct proto_ops 的指针，sock 的 ops 是一个指向 struct proto 的指针, 它们在结构被创建时确定。
回忆网络编程中 socket() 函数的原型：
#include <sys/socket.h>
sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);
实际上, socket->ops 和 sock->ops 由前两个参数 socket_family 和 socket_type 共同确定。
如果 socket_family 是最常用的 PF_INET 协议簇, 则 socket->ops 和 sock->ops 的取值就记录在 INET 协议开关表中：
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
{
.type = SOCK_STREAM,
.protocol = IPPROTO_TCP,
.prot = &tcp_prot, // 对应 sock->ops
.ops = &inet_stream_ops, // 对应 socket->ops
.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT | INET_PROTOSW_ICSK,
},
{
.type = SOCK_DGRAM,
.protocol = IPPROTO_UDP,
.prot = &udp_prot, // 对应 sock->ops
.ops = &inet_dgram_ops, // 对应 socket->ops
.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT,
},
}
.......
L3->L4
我们知道网络协议栈是分层的，但实际上，具体到实现，内核协议栈的分层只是逻辑上的，本质还是函数调用。发送流程(上层调用下层)通常是直接调用(因为没有不确定性，比如TCP知道下面一定IP)，但接收过程不一样了，比如报文在 IP 层时，它上面可能是 TCP，也可能是 UDP，或者是 ICMP 等等，所以接收过程使用的是注册-回调机制。
还是以 INET 协议簇为例，注册接口是：
int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol);
在内核网络子系统初始化时，L4 层协议(如下面的 TCP 和 UDP)会被注册：
static struct net_protocol tcp_protocol = {
......
.handler = tcp_v4_rcv,
......
};
static struct net_protocol udp_protocol = {
.....
.handler = udp_rcv,
.....
};
.......
而在IP层，查询过路由后，如果该报文是需要上送本机的，则会根据报文的 L4 协议，送给不同的 L4 处理：
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 如出一辙。只不过注册接口变成了：
void dev_add_pack(struct packet_type *pt)
谁会注册呢？显然至少 IP 会：
static struct packet_type ip_packet_type = {
.type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
.func = ip_rcv,
}
.......
而在报文接收过程中，设备驱动程序会将报文的 L3 类型设置到 skb->protocol，然后在内核 netif_receive_skb 收包时，会根据这个 protocol 调用不同的回调函数：
__netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
......
type = skb->protocol;
......
ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
}
.......
Netfilter
Netfilter 是报文在内核协议栈必然会通过的路径，我们从下面这张图就可以看到，Netfilter 在内核的 5 个地方设置了 HOOK 点，用户可以通过配置 iptables 规则，在 HOOK 点对报文进行过滤、修改等操作。
在内核代码中，我们时常可见 NF_HOOK 这样的调用。我的建议是，如果你暂时不考虑 Netfilter，那么就直接跳过, 跟踪 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
内核需要确定收到的报文是应该本地上送(local deliver)还是转发(forward),对本机发送(local out)的报文需要确定是从哪个网卡发送出去，这都是内核通过查询 fib (forward information base, 转发信息表) 确定。fib 可以理解为一个数据库，数据来源是用户配置或者内核自动生成的路由。
fib 查询的输入是报文 sk_buff，输出是 dst_entry. dst_entry 会被设置到 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 中最重要的是一个 input 指针和 output 指针：
struct dst_entry
{
......
int (*input)(struct sk_buff *);
int (*output)(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb);
......
}
对于需要本机上送的报文：
rth->dst.input = ip_local_deliver;
对需要转发的报文：
rth->dst.input = ip_forward;
对本机发送的报文：
rth->dst.output = ip_output;
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-403953.html
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