Linux網(wǎng)絡(luò) - 數(shù)據(jù)包的接收過程
本文將介紹在Linux系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)包是如何一步一步從網(wǎng)卡傳到進(jìn)程手中的。
如果英文沒有問題，強(qiáng)烈建議閱讀后面參考里的兩篇文章，里面介紹的更詳細(xì)。
本文只討論以太網(wǎng)的物理網(wǎng)卡，不涉及虛擬設(shè)備，并且以一個UDP包的接收過程作為示例.
本示例里列出的函數(shù)調(diào)用關(guān)系來自于kernel 3.13.0，如果你的內(nèi)核不是這個版本，函數(shù)名稱和相關(guān)路徑可能不一樣，但背后的原理應(yīng)該是一樣的(或者有細(xì)微差別)
網(wǎng)卡到內(nèi)存
網(wǎng)卡需要有驅(qū)動才能工作，驅(qū)動是加載到內(nèi)核中的模塊，負(fù)責(zé)銜接網(wǎng)卡和內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)模塊，驅(qū)動在加載的時候?qū)⒆约鹤赃M(jìn)網(wǎng)絡(luò)模塊，當(dāng)相應(yīng)的網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)模塊會調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序處理數(shù)據(jù)。
下圖展示了數(shù)據(jù)包(packet)如何進(jìn)入內(nèi)存，并被內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)模塊開始處理：
- +-----+
- | | Memroy
- +--------+ 1 | | 2 DMA +--------+--------+--------+--------+
- | Packet |-------->| NIC |------------>| Packet | Packet | Packet | ...... |
- +--------+ | | +--------+--------+--------+--------+
- | |<--------+
- +-----+ |
- | +---------------+
- | |
- 3 | Raise IRQ | Disable IRQ
- | 5 |
- | |
- ↓ |
- +-----+ +------------+
- | | Run IRQ handler | |
- | CPU |------------------>| NIC Driver |
- | | 4 | |
- +-----+ +------------+
- |
- 6 | Raise soft IRQ
- |
- ↓
1： 數(shù)據(jù)包從外面的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入物理網(wǎng)卡。如果目的地址不是該網(wǎng)卡，且該網(wǎng)卡沒有開啟混雜模式，該包會被網(wǎng)卡丟棄。
2： 網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)包通過DMA的方式寫入到指定的內(nèi)存地址，該地址由網(wǎng)卡驅(qū)動分配并初始化。注： 老的網(wǎng)卡可能不支持DMA，不過新的網(wǎng)卡一般都支持。
3： 網(wǎng)卡通過硬件中斷(IRQ)通知CPU，告訴它有數(shù)據(jù)來了
4： CPU根據(jù)中斷表，調(diào)用已經(jīng)注冊的中斷函數(shù)，這個中斷函數(shù)會調(diào)到驅(qū)動程序(NIC Driver)中相應(yīng)的函數(shù)
5： 驅(qū)動先禁用網(wǎng)卡的中斷，表示驅(qū)動程序已經(jīng)知道內(nèi)存中有數(shù)據(jù)了，告訴網(wǎng)卡下次再收到數(shù)據(jù)包直接寫內(nèi)存就可以了，不要再通知CPU了，這樣可以提高效率，避免CPU不停的被中斷。
6： 啟動軟中斷。這步結(jié)束后，硬件中斷處理函數(shù)就結(jié)束返回了。由于硬中斷處理程序執(zhí)行的過程中不能被中斷，所以如果它執(zhí)行時間過長，會導(dǎo)致CPU沒法響應(yīng)其它硬件的中斷，于是內(nèi)核引入軟中斷，這樣可以將硬中斷處理函數(shù)中耗時的部分移到軟中斷處理函數(shù)里面來慢慢處理。
內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)模塊
軟中斷會觸發(fā)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)模塊中的軟中斷處理函數(shù)，后續(xù)流程如下
- +-----+
- 14 | |
- +----------->| NIC |
- | | |
- |Enable IRQ +-----+
- |
- |
- +------------+ Memroy
- | | Read +--------+--------+--------+--------+
- +--------------->| NIC Driver |<--------------------- | Packet | Packet | Packet | ...... |
- | | | 9 +--------+--------+--------+--------+
- | +------------+
- | | | skb
- Poll | 8 Raise softIRQ | 6 +-----------------+
- | | 10 |
- | ↓ ↓
- +---------------+ Call +-----------+ +------------------+
- | net_rx_action |<-------| ksoftirqd | | napi_gro_receive |
- +---------------+ 7 +-----------+ +------------------+
- |
- | 11
- ↓
- +--------------------------+ 12 +------------------------+
- | __netif_receive_skb_core |----------->| packet taps(AF_PACKET) |
- +--------------------------+ +------------------------+
- |
- | 13
- ↓
- +-----------------+
- | protocol layers |
- +-----------------+
7： 內(nèi)核中的ksoftirqd進(jìn)程專門負(fù)責(zé)軟中斷的處理，當(dāng)它收到軟中斷后，就會調(diào)用相應(yīng)軟中斷所對應(yīng)的處理函數(shù)，對于上面第6步中是網(wǎng)卡驅(qū)動模塊拋出的軟中斷，ksoftirqd會調(diào)用網(wǎng)絡(luò)模塊的net_rx_action函數(shù)
8： net_rx_action調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動里的poll函數(shù)來一個一個的處理數(shù)據(jù)包
9： 在pool函數(shù)中，驅(qū)動會一個接一個的讀取網(wǎng)卡寫到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)包，內(nèi)存中數(shù)據(jù)包的格式只有驅(qū)動知道
10： 驅(qū)動程序?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)模塊能識別的skb格式，然后調(diào)用napi_gro_receive函數(shù)
11： napi_gro_receive會處理GRO相關(guān)的內(nèi)容，也就是將可以合并的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并，這樣就只需要調(diào)用一次協(xié)議棧，接著調(diào)用__netif_receive_skb_core
12： 看是不是有AF_PACKET類型的socket(也就是我們常說的原始套接字)，如果有的話，拷貝一份數(shù)據(jù)給它。tcpdump抓包就是抓的這里的包。
13： 調(diào)用協(xié)議棧相應(yīng)的函數(shù)，將數(shù)據(jù)包交給協(xié)議棧處理。
14： 待內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù)包被處理完成后(即poll函數(shù)執(zhí)行完成)，啟用網(wǎng)卡的硬中斷，這樣下次網(wǎng)卡再收到數(shù)據(jù)的時候就會通知CPU
協(xié)議棧
IP層
由于是UDP包，所以***步會進(jìn)入IP層，然后一級一級的函數(shù)往下調(diào)：
- |
- |
- ↓ promiscuous mode &&
- +--------+ PACKET_OTHERHOST (set by driver) +-----------------+
- | ip_rcv |-------------------------------------->| drop this packet|
- +--------+ +-----------------+
- |
- |
- ↓
- +---------------------+
- | NF_INET_PRE_ROUTING |
- +---------------------+
- |
- |
- ↓
- +---------+
- | | enabled ip forword +------------+ +----------------+
- | routing |-------------------->| ip_forward |------->| NF_INET_FOWARD |
- | | +------------+ +----------------+
- +---------+ |
- | |
- | destination IP is local ↓
- ↓ +---------------+
- +------------------+ | dst_output_sk |
- | ip_local_deliver | +---------------+
- +------------------+
- |
- |
- ↓
- +------------------+
- | NF_INET_LOCAL_IN |
- +------------------+
- |
- |
- ↓
- +-----------+
- | UDP layer |
- +-----------+
- ip_rcv： ip_rcv函數(shù)是IP模塊的入口函數(shù)，在該函數(shù)里面，***件事就是將垃圾數(shù)據(jù)包(目的mac地址不是當(dāng)前網(wǎng)卡，但由于網(wǎng)卡設(shè)置了混雜模式而被接收進(jìn)來)直接丟掉，然后調(diào)用注冊在NF_INET_PRE_ROUTING上的函數(shù)
- NF_INET_PRE_ROUTING： netfilter放在協(xié)議棧中的鉤子，可以通過iptables來注入一些數(shù)據(jù)包處理函數(shù)，用來修改或者丟棄數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包沒被丟棄，將繼續(xù)往下走
- routing： 進(jìn)行路由，如果是目的IP不是本地IP，且沒有開啟ip forward功能，那么數(shù)據(jù)包將被丟棄，如果開啟了ip forward功能，那將進(jìn)入ip_forward函數(shù)
- ip_forward： ip_forward會先調(diào)用netfilter注冊的NF_INET_FORWARD相關(guān)函數(shù)，如果數(shù)據(jù)包沒有被丟棄，那么將繼續(xù)往后調(diào)用dst_output_sk函數(shù)
- dst_output_sk： 該函數(shù)會調(diào)用IP層的相應(yīng)函數(shù)將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同下一篇要介紹的數(shù)據(jù)包發(fā)送流程的后半部分一樣。
- ip_local_deliver：如果上面routing的時候發(fā)現(xiàn)目的IP是本地IP，那么將會調(diào)用該函數(shù)，在該函數(shù)中，會先調(diào)用NF_INET_LOCAL_IN相關(guān)的鉤子程序，如果通過，數(shù)據(jù)包將會向下發(fā)送到UDP層
UDP層
- |
- |
- ↓
- +---------+ +-----------------------+
- | udp_rcv |----------->| __udp4_lib_lookup_skb |
- +---------+ +-----------------------+
- |
- |
- ↓
- +--------------------+ +-----------+
- | sock_queue_rcv_skb |----->| sk_filter |
- +--------------------+ +-----------+
- |
- |
- ↓
- +------------------+
- | __skb_queue_tail |
- +------------------+
- |
- |
- ↓
- +---------------+
- | sk_data_ready |
- +---------------+
- udp_rcv： udp_rcv函數(shù)是UDP模塊的入口函數(shù)，它里面會調(diào)用其它的函數(shù)，主要是做一些必要的檢查，其中一個重要的調(diào)用是__udp4_lib_lookup_skb，該函數(shù)會根據(jù)目的IP和端口找對應(yīng)的socket，如果沒有找到相應(yīng)的socket，那么該數(shù)據(jù)包將會被丟棄，否則繼續(xù)
- sock_queue_rcv_skb： 主要干了兩件事，一是檢查這個socket的receive buffer是不是滿了，如果滿了的話，丟棄該數(shù)據(jù)包，然后就是調(diào)用sk_filter看這個包是否是滿足條件的包，如果當(dāng)前socket上設(shè)置了filter，且該包不滿足條件的話，這個數(shù)據(jù)包也將被丟棄(在Linux里面，每個socket上都可以像tcpdump里面一樣定義filter，不滿足條件的數(shù)據(jù)包將會被丟棄)
- __skb_queue_tail： 將數(shù)據(jù)包放入socket接收隊列的末尾
- sk_data_ready： 通知socket數(shù)據(jù)包已經(jīng)準(zhǔn)備好
調(diào)用完sk_data_ready之后，一個數(shù)據(jù)包處理完成，等待應(yīng)用層程序來讀取，上面所有函數(shù)的執(zhí)行過程都在軟中斷的上下文中。
socket
應(yīng)用層一般有兩種方式接收數(shù)據(jù)，一種是recvfrom函數(shù)阻塞在那里等著數(shù)據(jù)來，這種情況下當(dāng)socket收到通知后，recvfrom就會被喚醒，然后讀取接收隊列的數(shù)據(jù);另一種是通過epoll或者select監(jiān)聽相應(yīng)的socket，當(dāng)收到通知后，再調(diào)用recvfrom函數(shù)去讀取接收隊列的數(shù)據(jù)。兩種情況都能正常的接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。
結(jié)束語
了解數(shù)據(jù)包的接收流程有助于幫助我們搞清楚我們可以在哪些地方監(jiān)控和修改數(shù)據(jù)包，哪些情況下數(shù)據(jù)包可能被丟棄，為我們處理網(wǎng)絡(luò)問題提供了一些參考，同時了解netfilter中相應(yīng)鉤子的位置，對于了解iptables的用法有一定的幫助，同時也會幫助我們后續(xù)更好的理解Linux下的網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備。
在接下來的幾篇文章中，將會介紹Linux下的網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備和iptables。
