sk_buff結(jié)構(gòu)詳解

mrjbydd 2010-12-28

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sk_buff結(jié)構(gòu)詳解

sk_buff結(jié)構(gòu)詳解

struct sk_buff可能是linux網(wǎng)絡(luò)代碼中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它表示接收或發(fā)送數(shù)據(jù)包的包頭信息，并包含很多成員變量供網(wǎng)絡(luò)代碼中的各子系統(tǒng)使用。
    這個結(jié)構(gòu)被網(wǎng)絡(luò)的不同層(MAC或者其他二層鏈路協(xié)議，三層的IP，四層的TCP或UDP等)使用，并且其中的成員變量在結(jié)構(gòu)從一層向另一層傳遞時改變。 L4向L3傳遞前會添加一個L4的頭部，同樣，L3向L2傳遞前，會添加一個L3的頭部。添加頭部比在不同層之間拷貝數(shù)據(jù)的效率更高。由于在緩沖區(qū)的頭部添加數(shù)據(jù)意味著要修改指向緩沖區(qū)的指針，這是個復(fù)雜的操作，所以內(nèi)核提供了一個函數(shù)skb_reserve來完成這個功能。協(xié)議棧中的每一層在往下一層傳遞緩沖區(qū)前，第一件事就是調(diào)用skb_reserve在緩沖區(qū)的頭部給協(xié)議頭預(yù)留一定的空間。
    skb_reserve同樣被設(shè)備驅(qū)動使用來對齊接收到包的包頭。如果緩沖區(qū)向上層協(xié)議傳遞，舊的協(xié)議層的頭部信息就沒什么用了。例如，L2的頭部只有在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動處理L2的協(xié)議時有用，L3是不會關(guān)心它的信息的。但是，內(nèi)核并沒有把L2的頭部從緩沖區(qū)中刪除，而是把有效荷載的指針指向L3的頭部，這樣做，可以節(jié)省CPU時間。

    有些sk_buff成員變量的作用是方便查找或者是連接數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身。內(nèi)核可以把sk_buff組織成一個雙向鏈表。當(dāng)然，這個鏈表的結(jié)構(gòu)要比常見的雙向鏈表的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一點。就像任何一個雙向鏈表一樣，sk_buff中有兩個指針next和prev，其中，next指向下一個節(jié)點，而prev指向上一個節(jié) 點。在第一個節(jié)點前面會插入另一個結(jié)構(gòu)sk_buff_head，這是一個輔助節(jié)點(作為sk_buff雙向鏈表的頭)，它的定義如下:
struct sk_buff_head {
    struct sk_buff -*next;
    struct sk_buff -*prev;
    __u32           qlen;
    spinlock_t      lock;
};
    qlen代表鏈表元素的個數(shù)
    lock用于防止對鏈表的并發(fā)訪問
    sk_buff和sk_buff_head的前兩個元素是一樣的：next和prev指針。這使得它們可以放到同一個鏈表中，盡管 sk_buff_head要比sk_buff小得多。另外，相同的函數(shù)可以同樣應(yīng)用于sk_buff和sk_buff_head。

sk_buff->sk
    這是一個指向擁有這個sk_buff的sock結(jié)構(gòu)的指針。這個指針在網(wǎng)絡(luò)包由本機發(fā)出或者由本機進程接收時有效，因為插口相關(guān)的信息被L4(TCP或 UDP)或者用戶空間程序使用。如果sk_buff只在轉(zhuǎn)發(fā)中使用(這意味著，源地址和目的地址都不是本機地址)，這個指針是NULL

sk_buff->len
    表示當(dāng)前協(xié)議數(shù)據(jù)包的長度。它包括主緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)長度(data指針指向它)和分片中的數(shù)據(jù)長度。

sk_buff->data_len
    和len不同，data_len只計算分片中數(shù)據(jù)的長度

sk_buff->mac_len
    這是mac頭的長度

sk_buff->users
    這是一個引用計數(shù)，用于計算有多少實體引用了這個sk_buff緩沖區(qū)。它的主要用途是防止釋放sk_buff后，還有其他實體引用這個sk_buff。因此，每個引用這個緩沖區(qū)的實體都必須在適當(dāng)?shù)臅r候增加或減小這個變量。這個計數(shù)器只保護sk_buff結(jié)構(gòu)本身，而緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)部分由類似的計數(shù)器 (dataref)來保護.有時可以用atomic_inc和atomic_dec函數(shù)來直接增加或減小users，但是，通常還是使用函數(shù) skb_get和kfree_skb來操作這個變量。

sk_buff->truesize
    這是緩沖區(qū)的總長度，包括sk_buff結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)部分。如果申請一個len字節(jié)的緩沖區(qū)，alloc_skb函數(shù)會把它初始化成len+sizeof(sk_buff)。當(dāng)skb->len變化時，這個變量也會變化。

sk_buff->head
sk_buff->data
sk_buff->tail
sk_buff->end
    它們表示緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)部分的邊界。在每一層申請緩沖區(qū)時，它會分配比協(xié)議頭或協(xié)議數(shù)據(jù)大的空間。head和end指向緩沖區(qū)的頭部和尾部，而data和 tail指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)的頭部和尾部。每一層會在head和data之間填充協(xié)議頭，或者在tail和end之間添加新的協(xié)議數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)部分會在尾部包含一個附加的頭部。

        struct sk_buff
         |----------|
         |          | -+---->|--------|
         |          | -|     |        | head
         |          | -|     |        |
         |----------| -| -+->|--------|
         |   head   |--+ -| -|        |
         |----------|     | -|        |
         |   data   |-----+ -|        | data
         |----------|        |        |
         |   tail   |-----+ -|        |
         |----------|     | -|        |
         |   end    |--+ -| -|        |
         |----------| -| -+->|--------|
                       |     |        | tail
                       |     |        |
                       +---->|--------|

void (*destructor)(struct sk_buff *skb)
    這個函數(shù)指針可以初始化成一個在緩沖區(qū)釋放時完成某些動作的函數(shù)。如果緩沖區(qū)不屬于一個socket，這個函數(shù)指針通常是不會被賦值的。如果緩沖區(qū)屬于一個socket，這個函數(shù)指針會被賦值為sock_rfree或sock_wfree(分別由skb_set_owner_r或 skb_set_owner_w函數(shù)初始化)。這兩個sock_xxx函數(shù)用于更新socket的隊列中的內(nèi)存容量。

sk_buff->tstamp
    這個變量只對接收到的包有意義。它代表包接收時的時間戳，或者有時代表包準(zhǔn)備發(fā)出時的時間戳。它在netif_rx里面由函數(shù)net_timestamp設(shè)置，而netif_rx是設(shè)備驅(qū)動收到一個包后調(diào)用的函數(shù)。

sk_buff->dev
    這個變量的類型是net_device，net_device它代表一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。dev的作用與這個包是準(zhǔn)備發(fā)出的包還是剛接收的包有關(guān)。當(dāng)收到一個包時，設(shè)備驅(qū)動會把sk_buff的dev指針指向收到這個包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；當(dāng)一個包被發(fā)送時，這個變量代表將要發(fā)送這個包的設(shè)備。在發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包時設(shè)置這個值的代碼要比接收網(wǎng)絡(luò)包時設(shè)置這個值的代碼復(fù)雜。有些網(wǎng)絡(luò)功能可以把多個網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備組成一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(也就是說，這些設(shè)備沒有和物理設(shè)備直接關(guān)聯(lián))，并由一個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動管理。當(dāng)虛擬設(shè)備被使用時，dev指針指向虛擬設(shè) 備的net_device結(jié)構(gòu)。而虛擬設(shè)備驅(qū)動會在一組設(shè)備中選擇一個設(shè)備并把dev指針修改為這個設(shè)備的net_device結(jié)構(gòu)。因此，在某些情況下，指向傳輸設(shè)備的指針會在包處理過程中被改變。

sk_buff->input_dev
    這是收到包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的指針。如果包是本地生成的，這個值為NULL。對以太網(wǎng)設(shè)備來說，這個值由eth_type_trans初始化,它主要被流量控制代碼使用。

sk_buff->h
sk_buff->nh
sk_buff->mac
    這些是指向TCP/IP各層協(xié)議頭的指針：h指向L4(傳輸層)，nh指向L3(網(wǎng)絡(luò)層)，mac指向L2(數(shù)據(jù)鏈路層)。每個指針的類型都是一個聯(lián)合，包含多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都表示內(nèi)核在這一層可以解析的協(xié)議。例如，h是一個包含內(nèi)核所能解析的L4協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合。每一個聯(lián)合都有一個 raw變量用于初始化，后續(xù)的訪問都是通過協(xié)議相關(guān)的變量進行的。
    當(dāng)接收一個包時，處理n層協(xié)議頭的函數(shù)從其下層(n-1層)收到一個緩沖區(qū)，它的skb->data指向n層協(xié)議的頭。處理n層協(xié)議的函數(shù)把本層的指針(例如，L3對應(yīng)的是skb->nh指針)初始化為skb->data，因為這個指針(data指針)的值會在處理下一層協(xié)議時改變 (skb->data將被初始化成緩沖區(qū)里的其他地址)。在處理n層協(xié)議的函數(shù)結(jié)束時，在把包傳遞給n+1層的處理函數(shù)前，它會把skb-> data指針指向n層協(xié)議頭的末尾，這正好是n+1層協(xié)議的協(xié)議頭。
    當(dāng)網(wǎng)卡驅(qū)動程序收到一個UDP數(shù)據(jù)報后，它創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體struct sk_buff，確保sk_buff->data成員指向的空間足夠存放收到的數(shù)據(jù)(對于數(shù)據(jù)報分片的情況，因為比較復(fù)雜，我們暫時忽略，我們假設(shè) 一次收到的是一個完整的UDP數(shù)據(jù)報)。把收到的數(shù)據(jù)全部拷貝到sk_buff->data指向的空間，然后，把skb->mac.raw指向data，此時，數(shù)據(jù)報的開始位置是一個以太網(wǎng)頭，所以skb->mac.raw指向鏈路層的以太網(wǎng)頭。然后通過調(diào)用skb_pull剝掉以太網(wǎng) 頭，所謂剝掉以太網(wǎng)頭，只是把data加上sizeof(struct ethhdr)，同時len減去這個值，這樣，在邏輯上,skb已經(jīng)不包含以太網(wǎng)頭了，但通過skb->mac.raw還能找到它。這就是我們通常所說的，IP數(shù)據(jù)報被收到后，在鏈路層被剝?nèi)ヒ蕴W(wǎng)頭。

sk_buff->dst
    這個變量在路由子系統(tǒng)中使用

sk_buff->sp
    這個變量被IPSec協(xié)議用于跟蹤傳輸?shù)男畔?br style="LINE-HEIGHT: normal">
sk_buff->cb[48]
    這是一個“control buffer”，或者說是一個私有信息的存儲空間，由每一層自己維護并使用。它在分配sk_buff結(jié)構(gòu)時分配(它目前的大小是48字節(jié)，已經(jīng)足夠為每一層存儲必要的私有信息了)。在每一層中，訪問這個變量的代碼通常用宏實現(xiàn)以增強代碼的可讀性。例如，TCP用這個變量存儲tcp_skb_cb結(jié)構(gòu)。
    下面這個宏被TCP代碼用來訪問cb變量。在這個宏里面，有一個簡單的類型轉(zhuǎn)換:
    #define TCP_SKB_CB(__skb)     ((struct tcp_skb_cb *)&((__skb)->cb[0]))

    下面的例子是TCP子系統(tǒng)在收到一個分段時填充相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的代碼:
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
    ...
    th = skb->h.th;
    TCP_SKB_CB(skb)->seq = ntohl(th->seq);
    TCP_SKB_CB(skb)->end_seq = (TCP_SKB_CB(skb)->seq + th->syn + th->fin +
                 skb->len - th->doff * 4);
    TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq = ntohl(th->ack_seq);
    TCP_SKB_CB(skb)->when = 0;
    TCP_SKB_CB(skb)->flags = skb->nh.iph->tos;
    TCP_SKB_CB(skb)->sacked = 0;
    ...
}
    如果想要了解cb中的參數(shù)是如何被取出的，可以查看net/ipv4/tcp_output.c中的tcp_transmit_skb函數(shù)。這個函數(shù)被TCP用于向IP層發(fā)送一個分段。

sk_buff->csum
sk_buff->ip_summed
    表示校驗和以及相關(guān)狀態(tài)標(biāo)記

sk_buff->cloned
    一個布爾標(biāo)記，當(dāng)被設(shè)置時，表示這個結(jié)構(gòu)是另一個sk_buff的克隆

sk_buff->pkt_type
    這個變量表示幀的類型，分類是由L2的目的地址來決定的。這個值在網(wǎng)卡驅(qū)動程序中由函數(shù)eth_type_trans通過判斷目的以太網(wǎng)地址來確定。如果目的地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，則為廣播地址，pkt_type = PACKET_BROADCAST；如果最高位為1,則為組播地址，pkt_type = PACKET_MULTICAST；如果目的mac地址跟本機mac地址不相等，則不是發(fā)給本機的數(shù)據(jù)報，pkt_type = PACKET_OTHERHOST；否則就是缺省值PACKET_HOST。
/* Packet types */
#define PACKET_HOST         0       /* To us        */
#define PACKET_BROADCAST    1       /* To all       */
#define PACKET_MULTICAST    2       /* To group     */
#define PACKET_OTHERHOST    3       /* To someone else      */
#define PACKET_OUTGOING     4       /* Outgoing of any type */

sk_buff->priority
    這個變量描述發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)包的QoS類別。如果包是本地生成的，socket層會設(shè)置priority變量。如果包是將要被轉(zhuǎn)發(fā)的， rt_tos2priority函數(shù)會根據(jù)ip頭中的Tos域來計算賦給這個變量的值。這個變量的值與DSCP(DiffServ CodePoint)沒有任何關(guān)系。

sk_buff->protocol
    這個變量是高層協(xié)議從二層設(shè)備的角度所看到的協(xié)議。典型的協(xié)議包括IP，IPV6和ARP。完整的列表在 include/linux/if_ether.h中。由于每個協(xié)議都有自己的協(xié)議處理函數(shù)來處理接收到的包，因此，這個域被設(shè)備驅(qū)動用于通知上層調(diào)用哪個協(xié)議處理函數(shù)。每個網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動都調(diào)用netif_rx來通知上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議處理函數(shù)，因此protocol變量必須在這些協(xié)議處理函數(shù)調(diào)用之前初始化。

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    linux內(nèi)核是模塊化的，你可以選擇包含或者刪除某些功能。因此，sk_buff結(jié)構(gòu)里面的一些成員變量只有在內(nèi)核選擇支持某些功能時才有效，比如防火墻(netfilter)或者qos：
__u32             nfctinfo
...
#ifdef CONFIG_NETFILTER
    struct nf_conntrack     *nfct;
#if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK) || defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MODULE)
    struct sk_buff     *nfct_reasm;
#endif
#ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER
    struct nf_bridge_info   *nf_bridge;
#endif
    __u32         nfmark;
#endif /* CONFIG_NETFILTER */

    這些變量被netfilter使用(防火墻代碼)，內(nèi)核編譯選項是“Device Drivers->Networking support-> Networking options-> Network packet filtering”和兩個子選項“Network packet filtering debugging”和“Bridged IP/ARP packets filtering”

#ifdef CONFIG_NET_SCHED
    __u16          tc_index;
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
    __u16          tc_verd;
#endif
#endif
    這兩個變量被流量控制代碼使用。tc_index只有在編譯時定義了CONFIG_NET_SCHED符號才有效；tc_verd只有在編譯時定義了CONFIG_NET_CLS_ACT符號才有效。這兩個符號可以通過選擇特定的編譯選項來定義:
Networking --->
    Networking options --->
        QoS and/or fair queueing --->
       [*] QoS and/or fair queueing
       [*]   Actions

    QoS選項不能被編譯成內(nèi)核模塊。原因就是，內(nèi)核編譯之后，由某個選項所控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不能動態(tài)變化的。一般來說，如果某個選項會修改內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如說，在sk_buff里面增加一個項tc_index)，那么，包含這個選項的組件就不能被編譯成內(nèi)核模塊。
    你可能經(jīng)常需要查找是哪個make menuconfig編譯選項或者變種定義了某個#ifdef標(biāo)記，以便理解內(nèi)核中包含的某段代碼。在2.6內(nèi)核中，最快的，查找它們之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的方法，就是查找分布在內(nèi)核源代碼樹中的kconfig文件中是否定義了相應(yīng)的符號(每個目錄都有一個這樣的文件)。在2.4內(nèi)核中，你需要查看 Documentation/Configure.help文件。
    Quality of Service(QoS)服務(wù)質(zhì)量

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