Linux内核--网络栈实现分析（七）--数据包的传递过程（下）

本文分析基于Linux Kernel 1.2.13

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作者：闫明

注：标题中的”（上）“，”（下）“表示分析过程基于数据包的传递方向：”（上）“表示分析是从底层向上分析、”（下）“表示分析是从上向下分析。

在博文Linux内核--网络栈实现分析（二）--数据包的传递过程（上）中分析了数据包从网卡设备经过驱动链路层，网络层，传输层到应用层的过程。

本文就分析一下本机产生数据是如何通过传输层，网络层到达物理层的。

综述来说，数据流程图如下：

一、应用层

应用层可以通过系统调用或文件操作来调用内核函数，BSD层的sock_write()函数会调用INET层的inet_wirte()函数。

[cpp] view plaincopy

1. /*
2. *  Write data to a socket. We verify that the user area ubuf..ubuf+size-1 is
3. *  readable by the user process.
4. */
5. static int sock_write(struct inode *inode, struct file *file, char *ubuf, int size)
6. {
7. struct socket *sock;
8. int err;
9. if (!(sock = socki_lookup(inode)))
10. {
11. printk("NET: sock_write: can‘t find socket for inode!\n");
12. return(-EBADF);
13. }
14. if (sock->flags & SO_ACCEPTCON)
15. return(-EINVAL);
16. if(size<0)
17. return -EINVAL;
18. if(size==0)
19. return 0;
20. if ((err=verify_area(VERIFY_READ,ubuf,size))<0)
21. return err;
22. return(sock->ops->write(sock, ubuf, size,(file->f_flags & O_NONBLOCK)));
23. }

INET层会调用具体传输层协议的write函数，该函数是通过调用本层的inet_send()函数实现功能的，inet_send()函数的UDP协议对应的函数为udp_write()

[cpp] view plaincopy

1. static int inet_send(struct socket *sock, void *ubuf, int size, int noblock,
2. unsigned flags)
3. {
4. struct sock *sk = (struct sock *) sock->data;
5. if (sk->shutdown & SEND_SHUTDOWN)
6. {
7. send_sig(SIGPIPE, current, 1);
8. return(-EPIPE);
9. }
10. if(sk->err)
11. return inet_error(sk);
12. /* We may need to bind the socket. */
13. if(inet_autobind(sk)!=0)
14. return(-EAGAIN);
15. return(sk->prot->write(sk, (unsigned char *) ubuf, size, noblock, flags));
16. }
17. static int inet_write(struct socket *sock, char *ubuf, int size, int noblock)
18. {
19. return inet_send(sock,ubuf,size,noblock,0);
20. }

二、传输层

在传输层udp_write()函数调用本层的udp_sendto()函数完成功能。

[cpp] view plaincopy

1. /*
2. *  In BSD SOCK_DGRAM a write is just like a send.
3. */
4. static int udp_write(struct sock *sk, unsigned char *buff, int len, int noblock,
5. unsigned flags)
6. {
7. return(udp_sendto(sk, buff, len, noblock, flags, NULL, 0));
8. }

udp_send()函数完成sk_buff结构相应的设置和报头的填写后会调用udp_send()来发送数据。具体的实现过程后面会详细分析。

而在udp_send()函数中，最后会调用ip_queue_xmit()函数，将数据包下放的网络层。

下面是udp_prot定义：

[cpp] view plaincopy

1. struct proto udp_prot = {
2. sock_wmalloc,
3. sock_rmalloc,
4. sock_wfree,
5. sock_rfree,
6. sock_rspace,
7. sock_wspace,
8. udp_close,
9. udp_read,
10. udp_write,
11. udp_sendto,
12. udp_recvfrom,
13. ip_build_header,
14. udp_connect,
15. NULL,
16. ip_queue_xmit,
17. NULL,
18. NULL,
19. NULL,
20. udp_rcv,
21. datagram_select,
22. udp_ioctl,
23. NULL,
24. NULL,
25. ip_setsockopt,
26. ip_getsockopt,
27. 128,
28. 0,
29. {NULL,},
30. "UDP",
31. 0, 0
32. };

[cpp] view plaincopy

1. static int udp_send(struct sock *sk, struct sockaddr_in *sin,
2. unsigned char *from, int len, int rt)
3. {
4. struct sk_buff *skb;
5. struct device *dev;
6. struct udphdr *uh;
7. unsigned char *buff;
8. unsigned long saddr;
9. int size, tmp;
10. int ttl;
11. /*
12. *  Allocate an sk_buff copy of the packet.
13. */
14. ........................
15. /*
16. *  Now build the IP and MAC header.
17. */
18. ..........................
19. /*
20. *  Fill in the UDP header.
21. */
22. ..............................
23. /*
24. *  Copy the user data.
25. */
26. memcpy_fromfs(buff, from, len);
27. /*
28. *  Set up the UDP checksum.
29. */
30. udp_send_check(uh, saddr, sin->sin_addr.s_addr, skb->len - tmp, sk);
31. /*
32. *  Send the datagram to the interface.
33. */
34. udp_statistics.UdpOutDatagrams++;
35. sk->prot->queue_xmit(sk, dev, skb, 1);
36. return(len);
37. }

三、网络层

在网络层，函数ip_queue_xmit()的功能是将数据包进行一系列复杂的操作，比如是检查数据包是否需要分片，是否是多播等一系列检查，最后调用dev_queue_xmit()函数发送数据。

[cpp] view plaincopy

1. /*
2. * Queues a packet to be sent, and starts the transmitter
3. * if necessary.  if free = 1 then we free the block after
4. * transmit, otherwise we don‘t. If free==2 we not only
5. * free the block but also don‘t assign a new ip seq number.
6. * This routine also needs to put in the total length,
7. * and compute the checksum
8. */
9. void ip_queue_xmit(struct sock *sk, struct device *dev,
10. struct sk_buff *skb, int free)
11. {
12. struct iphdr *iph;
13. unsigned char *ptr;
14. /* Sanity check */
15. ............
16. /*
17. *  Do some book-keeping in the packet for later
18. */
19. ...........
20. /*
21. *  Find the IP header and set the length. This is bad
22. *  but once we get the skb data handling code in the
23. *  hardware will push its header sensibly and we will
24. *  set skb->ip_hdr to avoid this mess and the fixed
25. *  header length problem
26. */
27. ..............
28. /*
29. *  No reassigning numbers to fragments...
30. */
31. if(free!=2)
32. iph->id      = htons(ip_id_count++);
33. else
34. free=1;
35. /* All buffers without an owner socket get freed */
36. if (sk == NULL)
37. free = 1;
38. skb->free = free;
39. /*
40. *  Do we need to fragment. Again this is inefficient.
41. *  We need to somehow lock the original buffer and use
42. *  bits of it.
43. */
44. ................
45. /*
46. *  Add an IP checksum
47. */
48. ip_send_check(iph);
49. /*
50. *  Print the frame when debugging
51. */
52. /*
53. *  More debugging. You cannot queue a packet already on a list
54. *  Spot this and moan loudly.
55. */
56. .......................
57. /*
58. *  If a sender wishes the packet to remain unfreed
59. *  we add it to his send queue. This arguably belongs
60. *  in the TCP level since nobody else uses it. BUT
61. *  remember IPng might change all the rules.
62. */
63. ......................
64. /*
65. *  If the indicated interface is up and running, send the packet.
66. */
67. ip_statistics.IpOutRequests++;
68. .............................
69. .............................
70. if((dev->flags&IFF_BROADCAST) && iph->daddr==dev->pa_brdaddr && !(dev->flags&IFF_LOOPBACK))
71. ip_loopback(dev,skb);
72. if (dev->flags & IFF_UP)
73. {
74. /*
75. *  If we have an owner use its priority setting,
76. *  otherwise use NORMAL
77. */
78. if (sk != NULL)
79. {
80. dev_queue_xmit(skb, dev, sk->priority);
81. }
82. else
83. {
84. dev_queue_xmit(skb, dev, SOPRI_NORMAL);
85. }
86. }
87. else
88. {
89. ip_statistics.IpOutDiscards++;
90. if (free)
91. kfree_skb(skb, FREE_WRITE);
92. }
93. }

四、驱动层（链路层）

在函数中，函数调用会调用具体设备的发送函数来发送数据包

dev->hard_start_xmit(skb, dev);

具体设备的发送函数在网络初始化的时候已经设置了。

这里以8390网卡为例来说明驱动层的工作原理，在net/drivers/8390.c中函数ethdev_init()函数中设置如下：

[cpp] view plaincopy

1. /* Initialize the rest of the 8390 device structure. */
2. int ethdev_init(struct device *dev)
3. {
4. if (ei_debug > 1)
5. printk(version);
6. if (dev->priv == NULL) {//申请私有空间
7. struct ei_device *ei_local;//8390网卡设备的结构体
8. dev->priv = kmalloc(sizeof(struct ei_device), GFP_KERNEL);//申请内核内存空间
9. memset(dev->priv, 0, sizeof(struct ei_device));
10. ei_local = (struct ei_device *)dev->priv;
11. #ifndef NO_PINGPONG
12. ei_local->pingpong = 1;
13. #endif
14. }
15. /* The open call may be overridden by the card-specific code. */
16. if (dev->open == NULL)
17. dev->open = &ei_open;//设备的打开函数
18. /* We should have a dev->stop entry also. */
19. dev->hard_start_xmit = &ei_start_xmit;//设备的发送函数，定义在8390.c中
20. dev->get_stats   = get_stats;
21. #ifdef HAVE_MULTICAST
22. dev->set_multicast_list = &set_multicast_list;
23. #endif
24. ether_setup(dev);
25. return 0;
26. }

驱动中的发送函数比较复杂，和硬件关系紧密，这里不再详细分析。

这样就大体分析了下网络数据从应用层到物理层的数据通路，后面会详细分析。