如何学习 Linux 内核网络协议栈

部门来了新的小伙伴，领导说要让我做一个关于 Linux 内核网络协议栈的 Presentation，于是有了此文。为什么是文字而不是 PPT 呢 ? 因为我真的不喜欢 PPT !

准备工作

对于没有学习过 Linux 内核网络的人来说，可能会对这个它产生向往，也有可能产生恐惧。但当你深入理解并且验证后得到正反馈时，那种豁然开朗的感觉，会让你感到满足，信可乐也。

回想当初自己进入这个主题时，我产生过以下疑问：

Q1：内核网络子系统这么大，我应该从何处开始？会不会栽到里面就晕了？

Q2：内核网络代码更新地那么快，应该从哪个版本开始学习？

Q3：有没有什么好的资料，教程？

Q4：如何验证自己的理解是否正确？

那么现在，我可以简单主观回答下：

Q1：内核网络子系统这么大，我应该从何处开始？会不会栽到里面就晕了？

内核网络子系统的代码虽然看着多，但核心流程和旁支还是分离的。并且，我认为它的水平是超过一大票开源代码的。注释的地方够用，炫技的地方寥寥，每一处修改都能从社区 GIT 仓库找到修改的原因，这已经很好了。

Q2：内核网络代码更新地那么快，应该从哪个版本开始学习？

需要哪个版本就用哪个版本。如果工作中指定了版本, 那么就选择它。如果教程书籍中是基于某个版本，那么就选择它。如果只是自己研究，那么我建议预先几个版本的代码：比如 2.6、3.7、4.4、4.9、5.3 (这些版本号是我拍脑袋写的)。

或者 https://elixir.bootlin.com/ 可以在线浏览各个版本的代码

Q3：有没有什么好的资料，教程？

我是没有见到过完整的教程，我觉得可能是内容太多太杂的原因。不过，几乎所有方面互联网上都有相关内容的讨论和分析。这里，推荐以下三本书，讲得都比较全面，本文后面的内容很大程度上也受到了这几本书的影响。

• Understanding linux network internals
• TCP/IP Architecture, Design, and Implementation in Linux
• Linux Kernel Networking: Implementation and Theory

这几本书都有中文译本，不过我觉得还是看英文原版能避免翻译导致理解偏差...

Q4：如何验证自己的理解是否正确？

验证是十分重要的，否则你怎么知道是不是对的呢。除了使用 printk 加调试信息重新编译内核这种原始手段外，有一些更聪明的工具可以帮上忙。

• Systemtap：几乎无所不能，可以在内核放置探测点，然后执行自己的代码。
• kprobe：简单的工具，可以快速检验某个函数是否被执行到
• packetdrill：用于验证 TCP 协议的行为很有用

协议栈的细节

下面将介绍一些内核网络协议栈中常常涉及到的概念.

sk_buff

内核显然需要一个数据结构来表示报文，这个结构就是 sk_buff ( socket buffer 的简称)，它等同于在<TCP/IP详解 卷2>中描述的 BSD 内核中的 mbuf。

sk_buff 结构自身并不存储报文内容，它通过多个指针指向真正的报文内存空间:

sk_buff 是一个贯穿整个协议栈层次的结构，在各层间传递时，内核只需要调整 sk_buff 中的指针位置就行。

net_device

内核使用 net_device 表示网卡。网卡可以分为物理网卡和虚拟网卡。物理网卡是指真正能把报文发出本机的网卡，包括真实物理机的网卡以及VM虚拟机的网卡，而像 tun/tap，vxlan、veth pair 这样的则属于虚拟网卡的范畴。

如下图所示，每个网卡都有两端，一端是协议栈(IP、TCP、UDP)，另一端则有所区别，对物理网卡来说，这一端是网卡生产厂商提供的设备驱动程序，而对虚拟网卡来说差别就大了，正是由于虚拟网卡的存在，内核才能支持各种隧道封装、容器通信等功能。

socket & sock

用户空间通过 socket()、bind()、listen()、accept() 等库函数进行网络编程。而这里提到的 socket 和 sock 是内核中的两个数据结构，其中 socket 向上面向用户，而 sock 向下面向协议栈。

如下图所示，这两个结构实际上是一一对应的.

注意到，这两个结构上都有一个叫 ops 的指针, 但它们的类型不同。socket 的 ops 是一个指向 struct proto_ops 的指针，sock 的 ops 是一个指向 struct proto 的指针, 它们在结构被创建时确定

回忆网络编程中 socket() 函数的原型

#include <sys/socket.h>

sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);

实际上, socket->ops 和 sock->ops 由前两个参数 socket_family 和 socket_type 共同确定。

如果 socket_family 是最常用的 PF_INET 协议簇, 则 socket->ops 和 sock->ops 的取值就记录在 INET 协议开关表中

static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
    {
        .type =       SOCK_STREAM,
        .protocol =   IPPROTO_TCP,
        .prot =       &tcp_prot,                 // 对应 sock->ops
        .ops =        &inet_stream_ops,          // 对应 socket->ops
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
                  INET_PROTOSW_ICSK,
    },

    {
        .type =       SOCK_DGRAM,
        .protocol =   IPPROTO_UDP,
        .prot =       &udp_prot,                 // 对应 sock->ops
        .ops =        &inet_dgram_ops,           // 对应 socket->ops
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },
    }
    .......

L3->L4

我们知道网络协议栈是分层的，但实际上，具体到实现，内核协议栈的分层只是逻辑上的，本质还是函数调用。发送流程(上层调用下层)通常是直接调用(因为没有不确定性，比如TCP知道下面一定IP)，但接收过程不一样了，比如报文在 IP 层时，它上面可能是 TCP，也可能是 UDP，或者是 ICMP 等等，所以接收过程使用的是注册-回调机制。

还是以 INET 协议簇为例，注册接口是

int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol);

在内核网络子系统初始化时，L4 层协议(如下面的 TCP 和 UDP)会被注册

static struct net_protocol tcp_protocol = {
    ......
    .handler    =    tcp_v4_rcv,
    ......
};

static struct net_protocol udp_protocol = {
    .....
    .handler =    udp_rcv,
    .....
};

而在IP层，查询过路由后，如果该报文是需要上送本机的，则会根据报文的 L4 协议，送给不同的 L4 处理

static int ip_local_deliver_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
      ......
      ipprot = rcu_dereference(inet_protos[protocol]);
      ......
      ret = ipprot->handler(skb);     
      ......
}

L2->L3

L2->L3 如出一辙。只不过注册接口变成了

void dev_add_pack(struct packet_type *pt)

谁会注册呢？ 显然至少 IP 会

static struct packet_type ip_packet_type = {
    .type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
    .func = ip_rcv,
}

而在报文接收过程中，设备驱动程序会将报文的 L3 类型设置到 skb->protocol，然后在内核 netif_receive_skb 收包时，会根据这个 protocol 调用不同的回调函数

__netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
    ......
    type = skb->protocol;
    ......
    ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
}

Netfilter

Netfilter 是报文在内核协议栈必然会通过的路径，我们从下面这张图就可以看到，Netfilter 在内核的 5 个地方设置了 HOOK 点，用户可以通过配置 iptables 规则，在 HOOK 点对报文进行过滤、修改等操作。

在内核代码中，我们时常可一件 NF_HOOK 这样的调用。我的建议是，如果你暂时不考虑 Netfilter，那么就直接跳过, 跟踪 okfn 就行。

static inline int
NF_HOOK(uint8_t pf, unsigned int hook, struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
    struct net_device *in, struct net_device *out,
    int (*okfn)(struct net *, struct sock *, struct sk_buff *))
{
    int ret = nf_hook(pf, hook, net, sk, skb, in, out, okfn);
    if (ret == 1)
        ret = okfn(net, sk, skb);
    return ret;
}

dst_entry

内核需要确定收到的报文是应该本地上送(local deliver)还是转发(forward),对本机发送(local out)的报文需要确定是从哪个网卡发送出去，这都是内核通过查询 fib (forward information base, 转发信息表) 确定。fib 可以理解为一个数据库，数据来源是用户配置或者内核自动生成的路由。

fib 查询的输入是报文 sk_buff，输出是 dst_entry. dst_entry 会被设置到 skb 上

static inline void skb_dst_set(struct sk_buff *skb, struct dst_entry *dst)
{
    skb->_skb_refdst = (unsigned long)dst;
}

而 dst_entry 中最重要的是一个 input 指针和 output 指针

struct dst_entry {

......
int            (*input)(struct sk_buff *);
int            (*output)(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb);
......

}

- 对于需要本机上送的报文

rth->dst.input = ip_local_deliver;

- 对需要转发的报文

rth->dst.input = ip_forward;

- 对本机发送的报文

rth->dst.output = ip_output;