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<audio id="audio" title="46 | 发送网络包（下）：如何表达我们想让合作伙伴做什么？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/e7/99/e7ee28d7548651dffc3504e3b4e65299.mp3"></audio>
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上一节我们讲网络包的发送，讲了上半部分，也即从VFS层一直到IP层，这一节我们接着看下去，看IP层和MAC层是如何发送数据的。
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## 解析ip_queue_xmit函数
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从ip_queue_xmit函数开始，我们就要进入IP层的发送逻辑了。
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```
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int ip_queue_xmit(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
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{
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struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
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struct net *net = sock_net(sk);
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struct ip_options_rcu *inet_opt;
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struct flowi4 *fl4;
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struct rtable *rt;
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struct iphdr *iph;
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int res;
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inet_opt = rcu_dereference(inet->inet_opt);
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fl4 = &fl->u.ip4;
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rt = skb_rtable(skb);
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/* Make sure we can route this packet. */
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rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);
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if (!rt) {
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__be32 daddr;
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/* Use correct destination address if we have options. */
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daddr = inet->inet_daddr;
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......
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rt = ip_route_output_ports(net, fl4, sk,
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daddr, inet->inet_saddr,
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inet->inet_dport,
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inet->inet_sport,
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sk->sk_protocol,
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RT_CONN_FLAGS(sk),
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sk->sk_bound_dev_if);
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if (IS_ERR(rt))
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goto no_route;
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sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
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}
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skb_dst_set_noref(skb, &rt->dst);
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packet_routed:
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/* OK, we know where to send it, allocate and build IP header. */
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skb_push(skb, sizeof(struct iphdr) + (inet_opt ? inet_opt->opt.optlen : 0));
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skb_reset_network_header(skb);
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iph = ip_hdr(skb);
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*((__be16 *)iph) = htons((4 << 12) | (5 << 8) | (inet->tos & 0xff));
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if (ip_dont_fragment(sk, &rt->dst) && !skb->ignore_df)
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iph->frag_off = htons(IP_DF);
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else
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iph->frag_off = 0;
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iph->ttl = ip_select_ttl(inet, &rt->dst);
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iph->protocol = sk->sk_protocol;
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ip_copy_addrs(iph, fl4);
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/* Transport layer set skb->h.foo itself. */
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if (inet_opt && inet_opt->opt.optlen) {
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iph->ihl += inet_opt->opt.optlen >> 2;
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ip_options_build(skb, &inet_opt->opt, inet->inet_daddr, rt, 0);
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}
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ip_select_ident_segs(net, skb, sk,
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skb_shinfo(skb)->gso_segs ?: 1);
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/* TODO : should we use skb->sk here instead of sk ? */
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skb->priority = sk->sk_priority;
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skb->mark = sk->sk_mark;
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res = ip_local_out(net, sk, skb);
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......
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}
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```
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在ip_queue_xmit中，也即IP层的发送函数里面，有三部分逻辑。
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第一部分，选取路由，也即我要发送这个包应该从哪个网卡出去。
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这件事情主要由ip_route_output_ports函数完成。接下来的调用链为：ip_route_output_ports->ip_route_output_flow->__ip_route_output_key->ip_route_output_key_hash->ip_route_output_key_hash_rcu。
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```
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struct rtable *ip_route_output_key_hash_rcu(struct net *net, struct flowi4 *fl4, struct fib_result *res, const struct sk_buff *skb)
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{
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struct net_device *dev_out = NULL;
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int orig_oif = fl4->flowi4_oif;
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unsigned int flags = 0;
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struct rtable *rth;
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......
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err = fib_lookup(net, fl4, res, 0);
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||
......
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make_route:
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rth = __mkroute_output(res, fl4, orig_oif, dev_out, flags);
|
||
......
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||
}
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```
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ip_route_output_key_hash_rcu先会调用fib_lookup。
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**FIB**全称是Forwarding Information Base，**转发信息表。**其实就是咱们常说的路由表。
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```
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static inline int fib_lookup(struct net *net, const struct flowi4 *flp, struct fib_result *res, unsigned int flags)
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{ struct fib_table *tb;
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......
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tb = fib_get_table(net, RT_TABLE_MAIN);
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if (tb)
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err = fib_table_lookup(tb, flp, res, flags | FIB_LOOKUP_NOREF);
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......
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}
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```
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路由表可以有多个，一般会有一个主表，RT_TABLE_MAIN。然后fib_table_lookup函数在这个表里面进行查找。
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路由表是一个什么样的结构呢？
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路由就是在Linux服务器上的路由表里面配置的一条一条规则。这些规则大概是这样的：想访问某个网段，从某个网卡出去，下一跳是某个IP。
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之前我们讲过一个简单的拓扑图，里面的三台Linux机器的路由表都可以通过ip route命令查看。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/f6/0e/f6982eb85dc66bd04200474efb3a050e.png" alt="">
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```
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# Linux服务器A
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default via 192.168.1.1 dev eth0
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192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.100 metric 100
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# Linux服务器B
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||
default via 192.168.2.1 dev eth0
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||
192.168.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.2.100 metric 100
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||
# Linux服务器做路由器
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||
192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.1
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192.168.2.0/24 dev eth1 proto kernel scope link src 192.168.2.1
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```
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其实，对于两端的服务器来讲，我们没有太多路由可以选，但是对于中间的Linux服务器做路由器来讲，这里有两条路可以选，一个是往左面转发，一个是往右面转发，就需要路由表的查找。
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fib_table_lookup的代码逻辑比较复杂，好在注释比较清楚。因为路由表要按照前缀进行查询，希望找到最长匹配的那一个，例如192.168.2.0/24和192.168.0.0/16都能匹配192.168.2.100/24。但是，我们应该使用192.168.2.0/24的这一条。
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为了更方面的做这个事情，我们使用了Trie树这种结构。比如我们有一系列的字符串：{bcs#, badge#, baby#, back#, badger#, badness#}。之所以每个字符串都加上#，是希望不要一个字符串成为另外一个字符串的前缀。然后我们把它们放在Trie树中，如下图所示：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/3f/11/3f0a99cf1c47afcd0bd740c4b7802511.png" alt="">
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对于将IP地址转成二进制放入trie树，也是同样的道理，可以很快进行路由的查询。
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找到了路由，就知道了应该从哪个网卡发出去。
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然后，ip_route_output_key_hash_rcu会调用__mkroute_output，创建一个struct rtable，表示找到的路由表项。这个结构是由rt_dst_alloc函数分配的。
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```
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struct rtable *rt_dst_alloc(struct net_device *dev,
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unsigned int flags, u16 type,
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bool nopolicy, bool noxfrm, bool will_cache)
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{
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struct rtable *rt;
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rt = dst_alloc(&ipv4_dst_ops, dev, 1, DST_OBSOLETE_FORCE_CHK,
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(will_cache ? 0 : DST_HOST) |
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(nopolicy ? DST_NOPOLICY : 0) |
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(noxfrm ? DST_NOXFRM : 0));
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if (rt) {
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rt->rt_genid = rt_genid_ipv4(dev_net(dev));
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rt->rt_flags = flags;
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rt->rt_type = type;
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rt->rt_is_input = 0;
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rt->rt_iif = 0;
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rt->rt_pmtu = 0;
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||
rt->rt_gateway = 0;
|
||
rt->rt_uses_gateway = 0;
|
||
rt->rt_table_id = 0;
|
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INIT_LIST_HEAD(&rt->rt_uncached);
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rt->dst.output = ip_output;
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if (flags & RTCF_LOCAL)
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rt->dst.input = ip_local_deliver;
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}
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return rt;
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}
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```
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最终返回struct rtable实例，第一部分也就完成了。
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第二部分，就是准备IP层的头，往里面填充内容。这就要对着IP层的头的格式进行理解。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/6b/2b/6b2ea7148a8e04138a2228c5dbc7182b.png" alt="">
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在这里面，服务类型设置为tos，标识位里面设置是否允许分片frag_off。如果不允许，而遇到MTU太小过不去的情况，就发送ICMP报错。TTL是这个包的存活时间，为了防止一个IP包迷路以后一直存活下去，每经过一个路由器TTL都减一，减为零则“死去”。设置protocol，指的是更上层的协议，这里是TCP。源地址和目标地址由ip_copy_addrs设置。最后，设置options。
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第三部分，就是调用ip_local_out发送IP包。
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```
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int ip_local_out(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
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{
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int err;
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err = __ip_local_out(net, sk, skb);
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if (likely(err == 1))
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err = dst_output(net, sk, skb);
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return err;
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}
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int __ip_local_out(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
|
||
{
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struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
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iph->tot_len = htons(skb->len);
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skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
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return nf_hook(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT,
|
||
net, sk, skb, NULL, skb_dst(skb)->dev,
|
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dst_output);
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}
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```
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ip_local_out先是调用__ip_local_out，然后里面调用了nf_hook。这是什么呢？nf的意思是Netfilter，这是Linux内核的一个机制，用于在网络发送和转发的关键节点上加上hook函数，这些函数可以截获数据包，对数据包进行干预。
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一个著名的实现，就是内核模块ip_tables。在用户态，还有一个客户端程序iptables，用命令行来干预内核的规则。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/75/4d/75c8257049eed99499e802fcc2eacf4d.png" alt="">
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iptables有表和链的概念，最终要的是两个表。
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filter表处理过滤功能，主要包含以下三个链。
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- INPUT链：过滤所有目标地址是本机的数据包
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- FORWARD链：过滤所有路过本机的数据包
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- OUTPUT链：过滤所有由本机产生的数据包
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nat表主要处理网络地址转换，可以进行SNAT（改变源地址）、DNAT（改变目标地址），包含以下三个链。
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- PREROUTING链：可以在数据包到达时改变目标地址
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- OUTPUT链：可以改变本地产生的数据包的目标地址
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- POSTROUTING链：在数据包离开时改变数据包的源地址
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/76/da/765e5431fe4b17f62b1b5712cc82abda.png" alt="">
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||
在这里，网络包马上就要发出去了，因而是NF_INET_LOCAL_OUT，也即ouput链，如果用户曾经在iptables里面写过某些规则，就会在nf_hook这个函数里面起作用。
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ip_local_out再调用dst_output，就是真正的发送数据。
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```
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/* Output packet to network from transport. */
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static inline int dst_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
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{
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return skb_dst(skb)->output(net, sk, skb);
|
||
}
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```
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这里调用的就是struct rtable成员dst的ouput函数。在rt_dst_alloc中，我们可以看到，output函数指向的是ip_output。
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```
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int ip_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
|
||
{
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struct net_device *dev = skb_dst(skb)->dev;
|
||
skb->dev = dev;
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skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
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||
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||
return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING,
|
||
net, sk, skb, NULL, dev,
|
||
ip_finish_output,
|
||
!(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
|
||
}
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```
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在ip_output里面，我们又看到了熟悉的NF_HOOK。这一次是NF_INET_POST_ROUTING，也即POSTROUTING链，处理完之后，调用ip_finish_output。
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## 解析ip_finish_output函数
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从ip_finish_output函数开始，发送网络包的逻辑由第三层到达第二层。ip_finish_output最终调用ip_finish_output2。
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```
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static int ip_finish_output2(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
|
||
{
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struct dst_entry *dst = skb_dst(skb);
|
||
struct rtable *rt = (struct rtable *)dst;
|
||
struct net_device *dev = dst->dev;
|
||
unsigned int hh_len = LL_RESERVED_SPACE(dev);
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||
struct neighbour *neigh;
|
||
u32 nexthop;
|
||
......
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||
nexthop = (__force u32) rt_nexthop(rt, ip_hdr(skb)->daddr);
|
||
neigh = __ipv4_neigh_lookup_noref(dev, nexthop);
|
||
if (unlikely(!neigh))
|
||
neigh = __neigh_create(&arp_tbl, &nexthop, dev, false);
|
||
if (!IS_ERR(neigh)) {
|
||
int res;
|
||
sock_confirm_neigh(skb, neigh);
|
||
res = neigh_output(neigh, skb);
|
||
return res;
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
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||
```
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||
在ip_finish_output2中，先找到struct rtable路由表里面的下一跳，下一跳一定和本机在同一个局域网中，可以通过二层进行通信，因而通过__ipv4_neigh_lookup_noref，查找如何通过二层访问下一跳。
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||
```
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||
static inline struct neighbour *__ipv4_neigh_lookup_noref(struct net_device *dev, u32 key)
|
||
{
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||
return ___neigh_lookup_noref(&arp_tbl, neigh_key_eq32, arp_hashfn, &key, dev);
|
||
}
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||
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||
```
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|
||
__ipv4_neigh_lookup_noref是从本地的ARP表中查找下一跳的MAC地址。ARP表的定义如下：
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||
```
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||
struct neigh_table arp_tbl = {
|
||
.family = AF_INET,
|
||
.key_len = 4,
|
||
.protocol = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
|
||
.hash = arp_hash,
|
||
.key_eq = arp_key_eq,
|
||
.constructor = arp_constructor,
|
||
.proxy_redo = parp_redo,
|
||
.id = "arp_cache",
|
||
......
|
||
.gc_interval = 30 * HZ,
|
||
.gc_thresh1 = 128,
|
||
.gc_thresh2 = 512,
|
||
.gc_thresh3 = 1024,
|
||
};
|
||
|
||
```
|
||
|
||
如果在ARP表中没有找到相应的项，则调用__neigh_create进行创建。
|
||
|
||
```
|
||
struct neighbour *__neigh_create(struct neigh_table *tbl, const void *pkey, struct net_device *dev, bool want_ref)
|
||
{
|
||
u32 hash_val;
|
||
int key_len = tbl->key_len;
|
||
int error;
|
||
struct neighbour *n1, *rc, *n = neigh_alloc(tbl, dev);
|
||
struct neigh_hash_table *nht;
|
||
|
||
memcpy(n->primary_key, pkey, key_len);
|
||
n->dev = dev;
|
||
dev_hold(dev);
|
||
|
||
/* Protocol specific setup. */
|
||
if (tbl->constructor && (error = tbl->constructor(n)) < 0) {
|
||
......
|
||
}
|
||
......
|
||
if (atomic_read(&tbl->entries) > (1 << nht->hash_shift))
|
||
nht = neigh_hash_grow(tbl, nht->hash_shift + 1);
|
||
|
||
hash_val = tbl->hash(pkey, dev, nht->hash_rnd) >> (32 - nht->hash_shift);
|
||
|
||
for (n1 = rcu_dereference_protected(nht->hash_buckets[hash_val],
|
||
lockdep_is_held(&tbl->lock));
|
||
n1 != NULL;
|
||
n1 = rcu_dereference_protected(n1->next,
|
||
lockdep_is_held(&tbl->lock))) {
|
||
if (dev == n1->dev && !memcmp(n1->primary_key, pkey, key_len)) {
|
||
if (want_ref)
|
||
neigh_hold(n1);
|
||
rc = n1;
|
||
goto out_tbl_unlock;
|
||
}
|
||
}
|
||
......
|
||
rcu_assign_pointer(n->next,
|
||
rcu_dereference_protected(nht->hash_buckets[hash_val],
|
||
lockdep_is_held(&tbl->lock)));
|
||
rcu_assign_pointer(nht->hash_buckets[hash_val], n);
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
__neigh_create先调用neigh_alloc，创建一个struct neighbour结构，用于维护MAC地址和ARP相关的信息。这个名字也很好理解，大家都是在一个局域网里面，可以通过MAC地址访问到，当然是邻居了。
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||
|
||
```
|
||
static struct neighbour *neigh_alloc(struct neigh_table *tbl, struct net_device *dev)
|
||
{
|
||
struct neighbour *n = NULL;
|
||
unsigned long now = jiffies;
|
||
int entries;
|
||
......
|
||
n = kzalloc(tbl->entry_size + dev->neigh_priv_len, GFP_ATOMIC);
|
||
if (!n)
|
||
goto out_entries;
|
||
|
||
__skb_queue_head_init(&n->arp_queue);
|
||
rwlock_init(&n->lock);
|
||
seqlock_init(&n->ha_lock);
|
||
n->updated = n->used = now;
|
||
n->nud_state = NUD_NONE;
|
||
n->output = neigh_blackhole;
|
||
seqlock_init(&n->hh.hh_lock);
|
||
n->parms = neigh_parms_clone(&tbl->parms);
|
||
setup_timer(&n->timer, neigh_timer_handler, (unsigned long)n);
|
||
|
||
NEIGH_CACHE_STAT_INC(tbl, allocs);
|
||
n->tbl = tbl;
|
||
refcount_set(&n->refcnt, 1);
|
||
n->dead = 1;
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在neigh_alloc中，我们先分配一个struct neighbour结构并且初始化。这里面比较重要的有两个成员，一个是arp_queue，所以上层想通过ARP获取MAC地址的任务，都放在这个队列里面。另一个是timer定时器，我们设置成，过一段时间就调用neigh_timer_handler，来处理这些ARP任务。
|
||
|
||
__neigh_create然后调用了arp_tbl的constructor函数，也即调用了arp_constructor，在这里面定义了ARP的操作arp_hh_ops。
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||
|
||
```
|
||
static int arp_constructor(struct neighbour *neigh)
|
||
{
|
||
__be32 addr = *(__be32 *)neigh->primary_key;
|
||
struct net_device *dev = neigh->dev;
|
||
struct in_device *in_dev;
|
||
struct neigh_parms *parms;
|
||
......
|
||
neigh->type = inet_addr_type_dev_table(dev_net(dev), dev, addr);
|
||
|
||
parms = in_dev->arp_parms;
|
||
__neigh_parms_put(neigh->parms);
|
||
neigh->parms = neigh_parms_clone(parms);
|
||
......
|
||
neigh->ops = &arp_hh_ops;
|
||
......
|
||
neigh->output = neigh->ops->output;
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
static const struct neigh_ops arp_hh_ops = {
|
||
.family = AF_INET,
|
||
.solicit = arp_solicit,
|
||
.error_report = arp_error_report,
|
||
.output = neigh_resolve_output,
|
||
.connected_output = neigh_resolve_output,
|
||
};
|
||
|
||
```
|
||
|
||
__neigh_create最后是将创建的struct neighbour结构放入一个哈希表，从里面的代码逻辑比较容易看出，这是一个数组加链表的链式哈希表，先计算出哈希值hash_val，得到相应的链表，然后循环这个链表找到对应的项，如果找不到就在最后插入一项。
|
||
|
||
我们回到ip_finish_output2，在__neigh_create之后，会调用neigh_output发送网络包。
|
||
|
||
```
|
||
static inline int neigh_output(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb)
|
||
{
|
||
......
|
||
return n->output(n, skb);
|
||
}
|
||
|
||
|
||
```
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||
|
||
按照上面对于struct neighbour的操作函数arp_hh_ops 的定义，output调用的是neigh_resolve_output。
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||
|
||
```
|
||
int neigh_resolve_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
|
||
{
|
||
if (!neigh_event_send(neigh, skb)) {
|
||
......
|
||
rc = dev_queue_xmit(skb);
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在neigh_resolve_output里面，首先neigh_event_send触发一个事件，看能否激活ARP。
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||
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||
```
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||
int __neigh_event_send(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
|
||
{
|
||
int rc;
|
||
bool immediate_probe = false;
|
||
|
||
if (!(neigh->nud_state & (NUD_STALE | NUD_INCOMPLETE))) {
|
||
if (NEIGH_VAR(neigh->parms, MCAST_PROBES) +
|
||
NEIGH_VAR(neigh->parms, APP_PROBES)) {
|
||
unsigned long next, now = jiffies;
|
||
|
||
atomic_set(&neigh->probes,
|
||
NEIGH_VAR(neigh->parms, UCAST_PROBES));
|
||
neigh->nud_state = NUD_INCOMPLETE;
|
||
neigh->updated = now;
|
||
next = now + max(NEIGH_VAR(neigh->parms, RETRANS_TIME),
|
||
HZ/2);
|
||
neigh_add_timer(neigh, next);
|
||
immediate_probe = true;
|
||
}
|
||
......
|
||
} else if (neigh->nud_state & NUD_STALE) {
|
||
neigh_dbg(2, "neigh %p is delayed\n", neigh);
|
||
neigh->nud_state = NUD_DELAY;
|
||
neigh->updated = jiffies;
|
||
neigh_add_timer(neigh, jiffies +
|
||
NEIGH_VAR(neigh->parms, DELAY_PROBE_TIME));
|
||
}
|
||
|
||
if (neigh->nud_state == NUD_INCOMPLETE) {
|
||
if (skb) {
|
||
.......
|
||
__skb_queue_tail(&neigh->arp_queue, skb);
|
||
neigh->arp_queue_len_Bytes += skb->truesize;
|
||
}
|
||
rc = 1;
|
||
}
|
||
out_unlock_bh:
|
||
if (immediate_probe)
|
||
neigh_probe(neigh);
|
||
.......
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
在__neigh_event_send中，激活ARP分两种情况，第一种情况是马上激活，也即immediate_probe。另一种情况是延迟激活则仅仅设置一个timer。然后将ARP包放在arp_queue上。如果马上激活，就直接调用neigh_probe；如果延迟激活，则定时器到了就会触发neigh_timer_handler，在这里面还是会调用neigh_probe。
|
||
|
||
我们就来看neigh_probe的实现，在这里面会从arp_queue中拿出ARP包来，然后调用struct neighbour的solicit操作。
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||
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||
```
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||
static void neigh_probe(struct neighbour *neigh)
|
||
__releases(neigh->lock)
|
||
{
|
||
struct sk_buff *skb = skb_peek_tail(&neigh->arp_queue);
|
||
......
|
||
if (neigh->ops->solicit)
|
||
neigh->ops->solicit(neigh, skb);
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
按照上面对于struct neighbour的操作函数arp_hh_ops 的定义，solicit调用的是arp_solicit，在这里我们可以找到对于arp_send_dst的调用，创建并发送一个arp包，得到结果放在struct dst_entry里面。
|
||
|
||
```
|
||
static void arp_send_dst(int type, int ptype, __be32 dest_ip,
|
||
struct net_device *dev, __be32 src_ip,
|
||
const unsigned char *dest_hw,
|
||
const unsigned char *src_hw,
|
||
const unsigned char *target_hw,
|
||
struct dst_entry *dst)
|
||
{
|
||
struct sk_buff *skb;
|
||
......
|
||
skb = arp_create(type, ptype, dest_ip, dev, src_ip,
|
||
dest_hw, src_hw, target_hw);
|
||
......
|
||
skb_dst_set(skb, dst_clone(dst));
|
||
arp_xmit(skb);
|
||
}
|
||
|
||
|
||
```
|
||
|
||
我们回到neigh_resolve_output中，当ARP发送完毕，就可以调用dev_queue_xmit发送二层网络包了。
|
||
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||
```
|
||
/**
|
||
* __dev_queue_xmit - transmit a buffer
|
||
* @skb: buffer to transmit
|
||
* @accel_priv: private data used for L2 forwarding offload
|
||
*
|
||
* Queue a buffer for transmission to a network device.
|
||
*/
|
||
static int __dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, void *accel_priv)
|
||
{
|
||
struct net_device *dev = skb->dev;
|
||
struct netdev_queue *txq;
|
||
struct Qdisc *q;
|
||
......
|
||
txq = netdev_pick_tx(dev, skb, accel_priv);
|
||
q = rcu_dereference_bh(txq->qdisc);
|
||
|
||
if (q->enqueue) {
|
||
rc = __dev_xmit_skb(skb, q, dev, txq);
|
||
goto out;
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
就像咱们在讲述硬盘块设备的时候讲过，每个块设备都有队列，用于将内核的数据放到队列里面，然后设备驱动从队列里面取出后，将数据根据具体设备的特性发送给设备。
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|
||
网络设备也是类似的，对于发送来说，有一个发送队列struct netdev_queue *txq。
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||
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||
这里还有另一个变量叫做struct Qdisc，这个是什么呢？如果我们在一台Linux机器上运行ip addr，我们能看到对于一个网卡，都有下面的输出。
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||
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||
```
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||
# ip addr
|
||
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
|
||
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
|
||
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
|
||
valid_lft forever preferred_lft forever
|
||
inet6 ::1/128 scope host
|
||
valid_lft forever preferred_lft forever
|
||
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1400 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
|
||
link/ether fa:16:3e:75:99:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
|
||
inet 10.173.32.47/21 brd 10.173.39.255 scope global noprefixroute dynamic eth0
|
||
valid_lft 67104sec preferred_lft 67104sec
|
||
inet6 fe80::f816:3eff:fe75:9908/64 scope link
|
||
valid_lft forever preferred_lft forever
|
||
|
||
```
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||
|
||
这里面有个关键字qdisc pfifo_fast是什么意思呢？qdisc全称是queueing discipline，中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，都需要按照为这个接口配置的qdisc（排队规则）把数据包加入队列。
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|
||
最简单的qdisc是pfifo，它不对进入的数据包做任何的处理，数据包采用先入先出的方式通过队列。pfifo_fast稍微复杂一些，它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。
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||
|
||
三个波段的优先级也不相同。band 0的优先级最高，band 2的最低。如果band 0里面有数据包，系统就不会处理band 1里面的数据包，band 1和band 2之间也是一样。
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||
数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配到三个波段里面的。TOS是IP头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。
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||
pfifo_fast分为三个先入先出的队列，我们能称为三个Band。根据网络包里面的TOS，看这个包到底应该进入哪个队列。TOS总共四位，每一位表示的意思不同，总共十六种类型。
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||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/ab/d9/ab6af2f9e1a64868636080a05cfde0d9.png" alt="">
|
||
|
||
通过命令行tc qdisc show dev eth0，我们可以输出结果priomap，也是十六个数字。在0到2之间，和TOS的十六种类型对应起来。不同的TOS对应不同的队列。其中Band 0优先级最高，发送完毕后才轮到Band 1发送，最后才是Band 2。
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||
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||
```
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||
# tc qdisc show dev eth0
|
||
qdisc pfifo_fast 0: root refcnt 2 bands 3 priomap 1 2 2 2 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
|
||
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||
```
|
||
|
||
接下来，__dev_xmit_skb开始进行网络包发送。
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||
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||
```
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||
static inline int __dev_xmit_skb(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *q,
|
||
struct net_device *dev,
|
||
struct netdev_queue *txq)
|
||
{
|
||
......
|
||
rc = q->enqueue(skb, q, &to_free) & NET_XMIT_MASK;
|
||
if (qdisc_run_begin(q)) {
|
||
......
|
||
__qdisc_run(q);
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
void __qdisc_run(struct Qdisc *q)
|
||
{
|
||
int quota = dev_tx_weight;
|
||
int packets;
|
||
while (qdisc_restart(q, &packets)) {
|
||
/*
|
||
* Ordered by possible occurrence: Postpone processing if
|
||
* 1. we've exceeded packet quota
|
||
* 2. another process needs the CPU;
|
||
*/
|
||
quota -= packets;
|
||
if (quota <= 0 || need_resched()) {
|
||
__netif_schedule(q);
|
||
break;
|
||
}
|
||
}
|
||
qdisc_run_end(q);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
__dev_xmit_skb会将请求放入队列，然后调用__qdisc_run处理队列中的数据。qdisc_restart用于数据的发送。根据注释中的说法，qdisc的另一个功能是用于控制网络包的发送速度，因而如果超过速度，就需要重新调度，则会调用__netif_schedule。
|
||
|
||
```
|
||
static void __netif_reschedule(struct Qdisc *q)
|
||
{
|
||
struct softnet_data *sd;
|
||
unsigned long flags;
|
||
local_irq_save(flags);
|
||
sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
|
||
q->next_sched = NULL;
|
||
*sd->output_queue_tailp = q;
|
||
sd->output_queue_tailp = &q->next_sched;
|
||
raise_softirq_irqoff(NET_TX_SOFTIRQ);
|
||
local_irq_restore(flags);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
__netif_schedule会调用__netif_reschedule，发起一个软中断NET_TX_SOFTIRQ。咱们讲设备驱动程序的时候讲过，设备驱动程序处理中断，分两个过程，一个是屏蔽中断的关键处理逻辑，一个是延迟处理逻辑。当时说工作队列是延迟处理逻辑的处理方案，软中断也是一种方案。
|
||
|
||
在系统初始化的时候，我们会定义软中断的处理函数。例如，NET_TX_SOFTIRQ的处理函数是net_tx_action，用于发送网络包。还有一个NET_RX_SOFTIRQ的处理函数是net_rx_action，用于接收网络包。接收网络包的过程咱们下一节解析。
|
||
|
||
```
|
||
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);
|
||
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
|
||
|
||
|
||
```
|
||
|
||
这里我们来解析一下net_tx_action。
|
||
|
||
```
|
||
static __latent_entropy void net_tx_action(struct softirq_action *h)
|
||
{
|
||
struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
|
||
......
|
||
if (sd->output_queue) {
|
||
struct Qdisc *head;
|
||
|
||
local_irq_disable();
|
||
head = sd->output_queue;
|
||
sd->output_queue = NULL;
|
||
sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;
|
||
local_irq_enable();
|
||
|
||
while (head) {
|
||
struct Qdisc *q = head;
|
||
spinlock_t *root_lock;
|
||
|
||
head = head->next_sched;
|
||
......
|
||
qdisc_run(q);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
我们会发现，net_tx_action还是调用了qdisc_run，还是会调用__qdisc_run，然后调用qdisc_restart发送网络包。
|
||
|
||
我们来看一下qdisc_restart的实现。
|
||
|
||
```
|
||
static inline int qdisc_restart(struct Qdisc *q, int *packets)
|
||
{
|
||
struct netdev_queue *txq;
|
||
struct net_device *dev;
|
||
spinlock_t *root_lock;
|
||
struct sk_buff *skb;
|
||
bool validate;
|
||
|
||
/* Dequeue packet */
|
||
skb = dequeue_skb(q, &validate, packets);
|
||
if (unlikely(!skb))
|
||
return 0;
|
||
|
||
root_lock = qdisc_lock(q);
|
||
dev = qdisc_dev(q);
|
||
txq = skb_get_tx_queue(dev, skb);
|
||
|
||
return sch_direct_xmit(skb, q, dev, txq, root_lock, validate);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
qdisc_restart将网络包从Qdisc的队列中拿下来，然后调用sch_direct_xmit进行发送。
|
||
|
||
```
|
||
int sch_direct_xmit(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *q,
|
||
struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq,
|
||
spinlock_t *root_lock, bool validate)
|
||
{
|
||
int ret = NETDEV_TX_BUSY;
|
||
|
||
if (likely(skb)) {
|
||
if (!netif_xmit_frozen_or_stopped(txq))
|
||
skb = dev_hard_start_xmit(skb, dev, txq, &ret);
|
||
}
|
||
......
|
||
if (dev_xmit_complete(ret)) {
|
||
/* Driver sent out skb successfully or skb was consumed */
|
||
ret = qdisc_qlen(q);
|
||
} else {
|
||
/* Driver returned NETDEV_TX_BUSY - requeue skb */
|
||
ret = dev_requeue_skb(skb, q);
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在sch_direct_xmit中，调用dev_hard_start_xmit进行发送，如果发送不成功，会返回NETDEV_TX_BUSY。这说明网络卡很忙，于是就调用dev_requeue_skb，重新放入队列。
|
||
|
||
```
|
||
struct sk_buff *dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *first, struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq, int *ret)
|
||
{
|
||
struct sk_buff *skb = first;
|
||
int rc = NETDEV_TX_OK;
|
||
|
||
while (skb) {
|
||
struct sk_buff *next = skb->next;
|
||
rc = xmit_one(skb, dev, txq, next != NULL);
|
||
skb = next;
|
||
if (netif_xmit_stopped(txq) && skb) {
|
||
rc = NETDEV_TX_BUSY;
|
||
break;
|
||
}
|
||
}
|
||
......
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
|
||
在dev_hard_start_xmit中，是一个while循环。每次在队列中取出一个sk_buff，调用xmit_one发送。
|
||
|
||
接下来的调用链为：xmit_one->netdev_start_xmit->__netdev_start_xmit。
|
||
|
||
```
|
||
static inline netdev_tx_t __netdev_start_xmit(const struct net_device_ops *ops, struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, bool more)
|
||
{
|
||
skb->xmit_more = more ? 1 : 0;
|
||
return ops->ndo_start_xmit(skb, dev);
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
这个时候，已经到了设备驱动层了。我们能看到，drivers/net/ethernet/intel/ixgb/ixgb_main.c里面有对于这个网卡的操作的定义。
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||
|
||
```
|
||
static const struct net_device_ops ixgb_netdev_ops = {
|
||
.ndo_open = ixgb_open,
|
||
.ndo_stop = ixgb_close,
|
||
.ndo_start_xmit = ixgb_xmit_frame,
|
||
.ndo_set_rx_mode = ixgb_set_multi,
|
||
.ndo_validate_addr = eth_validate_addr,
|
||
.ndo_set_mac_address = ixgb_set_mac,
|
||
.ndo_change_mtu = ixgb_change_mtu,
|
||
.ndo_tx_timeout = ixgb_tx_timeout,
|
||
.ndo_vlan_rx_add_vid = ixgb_vlan_rx_add_vid,
|
||
.ndo_vlan_rx_kill_vid = ixgb_vlan_rx_kill_vid,
|
||
.ndo_fix_features = ixgb_fix_features,
|
||
.ndo_set_features = ixgb_set_features,
|
||
};
|
||
|
||
```
|
||
|
||
在这里面，我们可以找到对于ndo_start_xmit的定义，调用ixgb_xmit_frame。
|
||
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||
```
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||
static netdev_tx_t
|
||
ixgb_xmit_frame(struct sk_buff *skb, struct net_device *netdev)
|
||
{
|
||
struct ixgb_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);
|
||
......
|
||
if (count) {
|
||
ixgb_tx_queue(adapter, count, vlan_id, tx_flags);
|
||
/* Make sure there is space in the ring for the next send. */
|
||
ixgb_maybe_stop_tx(netdev, &adapter->tx_ring, DESC_NEEDED);
|
||
|
||
}
|
||
......
|
||
return NETDEV_TX_OK;
|
||
}
|
||
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||
```
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||
在ixgb_xmit_frame中，我们会得到这个网卡对应的适配器，然后将其放入硬件网卡的队列中。
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||
至此，整个发送才算结束。
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## 总结时刻
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这一节，我们继续解析了发送一个网络包的过程，我们整个过程的图画在了下面。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/79/6f/79cc42f3163d159a66e163c006d9f36f.png" alt="">
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||
这个过程分成几个层次。
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- VFS层：write系统调用找到struct file，根据里面的file_operations的定义，调用sock_write_iter函数。sock_write_iter函数调用sock_sendmsg函数。
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||
- Socket层：从struct file里面的private_data得到struct socket，根据里面ops的定义，调用inet_sendmsg函数。
|
||
- Sock层：从struct socket里面的sk得到struct sock，根据里面sk_prot的定义，调用tcp_sendmsg函数。
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||
- TCP层：tcp_sendmsg函数会调用tcp_write_xmit函数，tcp_write_xmit函数会调用tcp_transmit_skb，在这里实现了TCP层面向连接的逻辑。
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||
- IP层：扩展struct sock，得到struct inet_connection_sock，根据里面icsk_af_ops的定义，调用ip_queue_xmit函数。
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||
- IP层：ip_route_output_ports函数里面会调用fib_lookup查找路由表。FIB全称是Forwarding Information Base，转发信息表，也就是路由表。
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||
- 在IP层里面要做的另一个事情是填写IP层的头。
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||
- 在IP层还要做的一件事情就是通过iptables规则。
|
||
- MAC层：IP层调用ip_finish_output进行MAC层。
|
||
- MAC层需要ARP获得MAC地址，因而要调用___neigh_lookup_noref查找属于同一个网段的邻居，他会调用neigh_probe发送ARP。
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||
- 有了MAC地址，就可以调用dev_queue_xmit发送二层网络包了，它会调用__dev_xmit_skb会将请求放入队列。
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||
- 设备层：网络包的发送会触发一个软中断NET_TX_SOFTIRQ来处理队列中的数据。这个软中断的处理函数是net_tx_action。
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||
- 在软中断处理函数中，会将网络包从队列上拿下来，调用网络设备的传输函数ixgb_xmit_frame，将网络包发到设备的队列上去。
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## 课堂练习
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上一节你应该通过tcpdump看到了TCP包头的格式，这一节，请你查看一下IP包的格式以及ARP的过程。
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欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/8c/37/8c0a95fa07a8b9a1abfd394479bdd637.jpg" alt="">
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