Linux 内核源码阅读——ipv4

Linux 内核源码阅读——ipv4

综述

在 Linux 内核中，IPv4 协议的实现主要分布在 net/ipv4/ 目录下。以下是一些关键的源文件及其作用：

1. 协议栈核心

• net/ipv4/ip_input.c：处理接收到的 IPv4 数据包（输入路径）。
• net/ipv4/ip_output.c：处理 IPv4 数据包的发送（输出路径）。
• net/ipv4/ip_forward.c：实现 IP 数据包的转发逻辑。

2. 地址管理

• net/ipv4/devinet.c：管理 IPv4 地址，包括添加、删除和查询接口地址。
• net/ipv4/af_inet.c：实现 IPv4 协议族的 socket 操作，如 socket()、bind()、connect() 等。

3. 路由子系统

• net/ipv4/route.c：核心的路由查找和管理逻辑。
• net/ipv4/fib_frontend.c、fib_trie.c：实现基于前缀树（Trie）的 FIB（Forwarding Information Base）路由表。

4. 传输层交互

• net/ipv4/tcp_ipv4.c：IPv4 版本的 TCP 处理。
• net/ipv4/udp.c：IPv4 版本的 UDP 处理。
• net/ipv4/raw.c：处理 IPv4 原始套接字（Raw Sockets）。

5. 其他重要模块

• net/ipv4/ip_fragment.c：处理 IP 数据包的分片和重组。
• net/ipv4/icmp.c：实现 ICMP（Internet Control Message Protocol）。
• net/ipv4/igmp.c：实现 IGMP（Internet Group Management Protocol）。
• net/ipv4/netfilter/ 目录：Linux 内核 Netfilter（防火墙和 NAT）相关代码。

收发包

关键数据结构

iphdr

struct iphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
	__u8	ihl:4,      // IP头长度 (单位：4字节)
		version:4;       // IP版本（例如 IPv4）
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
	__u8	version:4,   // IP版本（例如 IPv4）
  		ihl:4;          // IP头长度 (单位：4字节)
#else
#error	"Please fix <asm/byteorder.h>"  // 如果没有定义大小端模式，编译时会报错
#endif
	__u8	tos;          // 服务类型（Type of Service，TOS），用于指定数据包的优先级和路由
	__u16	tot_len;      // 总长度（包括头部和数据部分），单位字节
	__u16	id;           // 标识符，用于标识分片的所有部分
	__u16	frag_off;     // 分片偏移和标志，指示是否是分片，以及分片的位置
	__u8	ttl;          // 生存时间（Time To Live），指定数据包能在网络上生存的最大跳数
	__u8	protocol;     // 上层协议类型（例如 ICMP、TCP、UDP 等）
	__u16	check;        // 校验和，用于错误检查
	__u32	saddr;        // 源 IP 地址
	__u32	daddr;        // 目标 IP 地址
	/*The options start here. */
};

收包主要接口ip_rcv

/**
 * ip_rcv - 处理接收到的 IPv4 数据包
 * @skb: 指向 socket buffer 的指针，包含接收到的数据包
 * @dev: 指向接收到数据包的网络设备的指针
 * @pt: 指向 packet_type 结构体的指针，描述数据包类型
 *
 * 该函数用于接收并处理从网络设备接收到的 IPv4 数据包。它解析 IP 头部，
 * 检查数据包的有效性，并根据协议类型（如 TCP、UDP 或 ICMP）将数据包
 * 传递给相应的协议栈进行处理。如果数据包不可达或格式无效，返回错误。
 * 如果数据包处理成功，返回 0。
 *
 * 返回值：
 *   - 0：表示数据包处理成功，已传递给适当的协议处理函数
 *   - 负值：表示错误，例如数据包格式无效或目标不可达
 */
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt);

@startuml

start
:网络数据包到达;
:调用 ip_rcv 函数;
:调用 ip_rcv_finish 完成处理;
:调用 ip_route_input 查找路由;
if (路由(缓存)查找成功?) then (是)
  if (是本地包?) then (是)
    :调用 ip_local_deliver 处理本地包;
    :将数据包交给本地协议栈处理;
  else (否)
    if (是多播包?) then (是)
      :调用 ip_route_input_mc 处理多播包;
      :处理多播包;
    else (否)
      :调用 ip_route_input_slow 进行慢路径处理;
      :处理路由查找未命中的情况;
        note right
	  插入缓存表rt_hash_table
      end note
    endif
  endif
else (否)
  :调用 ip_route_input_slow 进行慢路径处理;
  :处理路由查找未命中的情况;
  note right
	插入缓存表rt_hash_table
  end note
endif
stop

@enduml

本机包：ip_local_deliver

其他包，进行转发：ip_forward

发包主要接口ip_output

该函数的主要任务是：

• 处理 IP 头部（如检查和更新校验和）
• 执行 IP 选项 处理
• 可能需要进行 分片
• 最终调用 底层链路层接口 进行发送

int ip_output(struct sk_buff *skb)

主要流程

@startuml
start
:调用 ip_output(skb);
if (需要分片?) then (是)
    :调用 ip_fragment(skb);
    :对每个分片调用 ip_finish_output(skb);
else (否)
    :调用 ip_finish_output(skb);
endif

:进入 ip_finish_output2;
:添加链路层头部（如以太网头部）;

if (存在 hh 缓存?) then (否)
    :发送 ARP 请求;
    :等待 ARP 响应;
    :缓存邻居信息;
endif

:调用 hh->hh_output(skb);
stop
@enduml

设备管理

事件通知处理函数——inetdev_event

处理什么事件？

NETDEV_REGISTER ——注册接口

NETDEV_UP —— 接口UP

NETDEV_DOWN —— 接口DOWN

NETDEV_CHANGEMTU —— 改变MTU

NETDEV_UNREGISTER ——注销接口

NETDEV_CHANGENAME —— 更改接口名

接口UP处理

分为普通接口和环回口处理

1. MTU 检查
2. 环回设备的特殊处理
3. 启动多播（Multicast）功能

RTNetlink 消息

RTNetlink 是 Linux 内核用于网络配置和管理的接口，它通过 Netlink sockets 向用户空间传递网络相关的信息。

关键结构

static struct rtnetlink_link inet_rtnetlink_table[RTM_MAX - RTM_BASE + 1] = {
	 [4] = { .doit	 = inet_rtm_newaddr,  }, /* 处理新的 IP 地址添加消息 */
	 [5] = { .doit	 = inet_rtm_deladdr,  }, /* 处理删除 IP 地址的消息 */
	 [6] = { .dumpit = inet_dump_ifaddr,  }, /* 处理获取 IP 地址的消息 */
	 [8] = { .doit	 = inet_rtm_newroute, }, /* 处理新的路由添加消息 */
	 [9] = { .doit	 = inet_rtm_delroute, }, /* 处理删除路由的消息*/
	[10] = { .doit	 = inet_rtm_getroute, .dumpit = inet_dump_fib, },
#ifdef CONFIG_IP_MULTIPLE_TABLES /* 多个路由表支持 */
	[16] = { .doit	 = inet_rtm_newrule, },
	[17] = { .doit	 = inet_rtm_delrule, },
	[18] = { .dumpit = inet_dump_rules,  },
#endif
};

主要流程

@startuml

start
:module_init(inet_init);
floating note left:  module_init内核模块的初始化入口点
:inet_init;
note right
初始化网络协议栈中与 IP 协议相关
end note
:ip_init;
note right
初始化 IPv4 协议栈
end note
:ip_rt_init;
:devinet_init;
note right
初始化与设备相关的网络功能
end note
:rtnetlink_links[PF_INET] = inet_rtnetlink_table;
note left
注册 IPv4 相关的 Netlink 消息处理表
end note
stop


@enduml 

/**
 * module_init() - driver initialization entry point
 * @x: function to be run at kernel boot time or module insertion
 * 
 * module_init() will either be called during do_initcalls (if
 * builtin) or at module insertion time (if a module).  There can only
 * be one per module.
 */
#define module_init(x)	__initcall(x);