https://segmentfault.com/a/1190000008926093

继上一篇介绍了[数据包的接收过程](https://segmentfault.com/a/1190000008836467)后,本文将介绍在Linux系统中,数据包是如何一步一步从应用程序到网卡并最终发送出去的。

如果英文没有问题,强烈建议阅读后面参考里的文章,里面介绍的更详细。

本文只讨论以太网的物理网卡,并且以一个UDP包的发送过程作为示例,由于本人对协议栈的代码不熟,有些地方可能理解有误,欢迎指正

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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。

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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,最后将网卡的信息和该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。该函数最后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。

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IP层

`          |
          |
          ↓
   +-------------+
   | ip_send_skb |
   +-------------+
          |
          |
          ↓
  +-------------------+       +-------------------+       +---------------+
  | __ip_local_out_sk |------>| NF_INET_LOCAL_OUT |------>| dst_output_sk |
  +-------------------+       +-------------------+       +---------------+
                                                                  |
                                                                  |
                                                                  ↓
 +------------------+        +----------------------+       +-----------+
 | ip_finish_output |<-------| NF_INET_POST_ROUTING |<------| ip_output |
 +------------------+        +----------------------+       +-----------+
          |
          |
          ↓
  +-------------------+      +------------------+       +----------------------+
  | ip_finish_output2 |----->| dst_neigh_output |------>| neigh_resolve_output |
  +-------------------+      +------------------+       +----------------------+
                                                                   |
                                                                   |
                                                                   ↓
                                                           +----------------+
                                                           | 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

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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

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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包过程中,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。

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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): 当第一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

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参考