Linux 内核源码阅读——ipv4

Linux 内核源码阅读——ipv4

综述

在 Linux 内核中，IPv4 协议的实现重要分布在 net/ipv4/ 目次下。以下是一些关键的源文件及其作用：
1. 协议栈焦点

• net/ipv4/ip_input.c：处置惩罚吸收到的 IPv4 数据包（输入路径）。
  
• net/ipv4/ip_output.c：处置惩罚 IPv4 数据包的发送（输出路径）。
  
• net/ipv4/ip_forward.c：实现 IP 数据包的转发逻辑。
  

2. 所在管理

• net/ipv4/devinet.c：管理 IPv4 所在，包罗添加、删除和查询接口所在。
  
• net/ipv4/af_inet.c：实现 IPv4 协议族的 socket 利用，如 socket()、bind()、connect() 等。
  

3. 路由子体系

• net/ipv4/route.c：焦点的路由查找和管理逻辑。
  
• net/ipv4/fib_frontend.c、fib_trie.c：实现基于前缀树（Trie）的 FIB（Forwarding Information Base）路由表。
  

4. 传输层交互

• net/ipv4/tcp_ipv4.c：IPv4 版本的 TCP 处置惩罚。
  
• net/ipv4/udp.c：IPv4 版本的 UDP 处置惩罚。
  
• net/ipv4/raw.c：处置惩罚 IPv4 原始套接字（Raw Sockets）。
  

5. 其他紧张模块

• net/ipv4/ip_fragment.c：处置惩罚 IP 数据包的分片和重组。
  
• net/ipv4/icmp.c：实现 ICMP（Internet Control Message Protocol）。
  
• net/ipv4/igmp.c：实现 IGMP（Internet Group Management Protocol）。
  
• net/ipv4/netfilter/ 目次：Linux 内核 Netfilter（防火墙和 NAT）干系代码。
  

收发包

关键数据布局

iphdr

1. struct iphdr {
2. #if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
3.         __u8        ihl:4,      // IP头长度 (单位：4字节)
4.                 version:4;       // IP版本（例如 IPv4）
5. #elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
6.         __u8        version:4,   // IP版本（例如 IPv4）
7.                   ihl:4;          // IP头长度 (单位：4字节)
8. #else
9. #error        "Please fix <asm/byteorder.h>"  // 如果没有定义大小端模式，编译时会报错
10. #endif
11.         __u8        tos;          // 服务类型（Type of Service，TOS），用于指定数据包的优先级和路由
12.         __u16        tot_len;      // 总长度（包括头部和数据部分），单位字节
13.         __u16        id;           // 标识符，用于标识分片的所有部分
14.         __u16        frag_off;     // 分片偏移和标志，指示是否是分片，以及分片的位置
15.         __u8        ttl;          // 生存时间（Time To Live），指定数据包能在网络上生存的最大跳数
16.         __u8        protocol;     // 上层协议类型（例如 ICMP、TCP、UDP 等）
17.         __u16        check;        // 校验和，用于错误检查
18.         __u32        saddr;        // 源 IP 地址
19.         __u32        daddr;        // 目标 IP 地址
20.         /*The options start here. */
21. };

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收包重要接口ip_rcv

1. /**
2. * ip_rcv - 处理接收到的 IPv4 数据包
3. * @skb: 指向 socket buffer 的指针，包含接收到的数据包
4. * @dev: 指向接收到数据包的网络设备的指针
5. * @pt: 指向 packet_type 结构体的指针，描述数据包类型
6. *
7. * 该函数用于接收并处理从网络设备接收到的 IPv4 数据包。它解析 IP 头部，
8. * 检查数据包的有效性，并根据协议类型（如 TCP、UDP 或 ICMP）将数据包
9. * 传递给相应的协议栈进行处理。如果数据包不可达或格式无效，返回错误。
10. * 如果数据包处理成功，返回 0。
11. *
12. * 返回值：
13. *   - 0：表示数据包处理成功，已传递给适当的协议处理函数
14. *   - 负值：表示错误，例如数据包格式无效或目标不可达
15. */
16. int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt);

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1. @startuml
3. start
4. :网络数据包到达;
5. :调用 ip_rcv 函数;
6. :调用 ip_rcv_finish 完成处理;
7. :调用 ip_route_input 查找路由;
8. if (路由(缓存)查找成功?) then (是)
9.   if (是本地包?) then (是)
10.     :调用 ip_local_deliver 处理本地包;
11.     :将数据包交给本地协议栈处理;
12.   else (否)
13.     if (是多播包?) then (是)
14.       :调用 ip_route_input_mc 处理多播包;
15.       :处理多播包;
16.     else (否)
17.       :调用 ip_route_input_slow 进行慢路径处理;
18.       :处理路由查找未命中的情况;
19.         note right
20.           插入缓存表rt_hash_table
21.       end note
22.     endif
23.   endif
24. else (否)
25.   :调用 ip_route_input_slow 进行慢路径处理;
26.   :处理路由查找未命中的情况;
27.   note right
28.         插入缓存表rt_hash_table
29.   end note
30. endif
31. stop
33. @enduml

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本机包：ip_local_deliver
其他包，举行转发：ip_forward
发包重要接口ip_output

该函数的重要任务是：

• 处置惩罚 IP 头部（如查抄和更新校验和）
  
• 实验 IP 选项 处置惩罚
  
• 大概必要举行 分片
  
• 终极调用 底层链路层接口 举行发送
  

1. int ip_output(struct sk_buff *skb)

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重要流程

1. @startuml
2. start
3. :调用 ip_output(skb);
4. if (需要分片?) then (是)
5.     :调用 ip_fragment(skb);
6.     :对每个分片调用 ip_finish_output(skb);
7. else (否)
8.     :调用 ip_finish_output(skb);
9. endif
11. :进入 ip_finish_output2;
12. :添加链路层头部（如以太网头部）;
14. if (存在 hh 缓存?) then (否)
15.     :发送 ARP 请求;
16.     :等待 ARP 响应;
17.     :缓存邻居信息;
18. endif
20. :调用 hh->hh_output(skb);
21. stop
22. @enduml

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装备管理

变乱关照处置惩罚函数——inetdev_event

处置惩罚什么变乱？
NETDEV_REGISTER ——注册接口
NETDEV_UP —— 接口UP
NETDEV_DOWN —— 接口DOWN
NETDEV_CHANGEMTU —— 改变MTU
NETDEV_UNREGISTER ——注销接口
NETDEV_CHANGENAME —— 更改接口名
接口UP处置惩罚

分为平凡接口和环回口处置惩罚

• MTU 查抄
  
• 环回装备的特别处置惩罚
  
• 启动多播（Multicast）功能
  

RTNetlink 消息

RTNetlink 是 Linux 内核用于网络设置和管理的接口，它通过 Netlink sockets 向用户空间通报网络干系的信息。
关键布局

1. static struct rtnetlink_link inet_rtnetlink_table[RTM_MAX - RTM_BASE + 1] = {
2.          [4] = { .doit         = inet_rtm_newaddr,  }, /* 处理新的 IP 地址添加消息 */
3.          [5] = { .doit         = inet_rtm_deladdr,  }, /* 处理删除 IP 地址的消息 */
4.          [6] = { .dumpit = inet_dump_ifaddr,  }, /* 处理获取 IP 地址的消息 */
5.          [8] = { .doit         = inet_rtm_newroute, }, /* 处理新的路由添加消息 */
6.          [9] = { .doit         = inet_rtm_delroute, }, /* 处理删除路由的消息*/
7.         [10] = { .doit         = inet_rtm_getroute, .dumpit = inet_dump_fib, },
8. #ifdef CONFIG_IP_MULTIPLE_TABLES /* 多个路由表支持 */
9.         [16] = { .doit         = inet_rtm_newrule, },
10.         [17] = { .doit         = inet_rtm_delrule, },
11.         [18] = { .dumpit = inet_dump_rules,  },
12. #endif
13. };

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重要流程

1. @startuml
3. start
4. :module_init(inet_init);
5. floating note left:  module_init内核模块的初始化入口点
6. :inet_init;
7. note right
8. 初始化网络协议栈中与 IP 协议相关
9. end note
10. :ip_init;
11. note right
12. 初始化 IPv4 协议栈
13. end note
14. :ip_rt_init;
15. :devinet_init;
16. note right
17. 初始化与设备相关的网络功能
18. end note
19. :rtnetlink_links[PF_INET] = inet_rtnetlink_table;
20. note left
21. 注册 IPv4 相关的 Netlink 消息处理表
22. end note
23. stop
25. @enduml

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1. /**
2. * module_init() - driver initialization entry point
3. * @x: function to be run at kernel boot time or module insertion
4. *
5. * module_init() will either be called during do_initcalls (if
6. * builtin) or at module insertion time (if a module).  There can only
7. * be one per module.
8. */
9. #define module_init(x)        __initcall(x);

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