Linux内核网络udp数据包发送

Posted 2021-08-29 宋宝华

本系列文章1-4，来源于陈莉君老师公众号“Linux内核之旅”

1. 前言

本文首先从宏观上概述了数据包发送的流程，接着分析了协议层注册进内核以及被socket的过程，最后介绍了通过 socket 发送网络数据的过程。

2. 数据包发送宏观视角

从宏观上看，一个数据包从用户程序到达硬件网卡的整个过程如下：

1. 使用系统调用（如 sendto，sendmsg 等）写数据

2. 数据穿过socket 子系统，进入socket 协议族（protocol family）系统

3. 协议族处理：数据穿过协议层，这一过程（在许多情况下）会将数据（data）转换成数据包（packet）

4. 数据穿过路由层，这会涉及路由缓存和 ARP 缓存的更新；如果目的 MAC 不在 ARP 缓存表中，将触发一次 ARP 广播来查找 MAC 地址

5. 穿过协议层，packet 到达设备无关层（device agnostic layer）

6. 使用 XPS（如果启用）或散列函数选择发送队列

7. 调用网卡驱动的发送函数

8. 数据传送到网卡的 qdisc（queue discipline，排队规则）

9. qdisc 会直接发送数据（如果可以），或者将其放到队列，下次触发NET_TX 类型软中断（softirq）的时候再发送

10. 数据从 qdisc 传送给驱动程序

11. 驱动程序创建所需的DMA 映射，以便网卡从 RAM 读取数据

12. 驱动向网卡发送信号，通知数据可以发送了

13. 网卡从 RAM 中获取数据并发送

14. 发送完成后，设备触发一个硬中断（IRQ），表示发送完成

15. 硬中断处理函数被唤醒执行。对许多设备来说，这会触发 NET_RX 类型的软中断，然后 NAPI poll 循环开始收包

16. poll 函数会调用驱动程序的相应函数，解除 DMA 映射，释放数据

3. 协议层注册

协议层分析我们将关注 IP 和 UDP 层，其他协议层可参考这个过程。我们首先来看协议族是如何注册到内核，并被 socket 子系统使用的。

当用户程序像下面这样创建 UDP socket 时会发生什么？

sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)

简单来说，内核会去查找由 UDP 协议栈导出的一组函数（其中包括用于发送和接收网络数据的函数），并赋给 socket 的相应字段。准确理解这个过程需要查看 AF_INET 地址族的代码。

内核初始化的很早阶段就执行了 inet_init 函数，这个函数会注册 AF_INET 协议族 ，以及该协议族内的各协议栈（TCP，UDP，ICMP 和 RAW），并调用初始化函数使协议栈准备好处理网络数据。inet_init 定义在net/ipv4/af_inet.c 。

AF_INET 协议族导出一个包含 create 方法的 struct net_proto_family 类型实例。当从用户程序创建 socket 时，内核会调用此方法：

static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
    .family = PF_INET,
    .create = inet_create,
    .owner  = THIS_MODULE,
};

inet_create 根据传递的 socket 参数，在已注册的协议中查找对应的协议：

/* Look for the requested type/protocol pair. */
lookup_protocol:
        err = -ESOCKTNOSUPPORT;
        rcu_read_lock();
        list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list) {

                err = 0;
                /* Check the non-wild match. */
                if (protocol == answer->protocol) {
                        if (protocol != IPPROTO_IP)
                                break;
                } else {
                        /* Check for the two wild cases. */
                        if (IPPROTO_IP == protocol) {
                                protocol = answer->protocol;
                                break;
                        }
                        if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
                                break;
                }
                err = -EPROTONOSUPPORT;
        }

然后，将该协议的回调方法（集合）赋给这个新创建的 socket：

sock->ops = answer->ops;

可以在 af_inet.c 中看到所有协议的初始化参数。下面是TCP 和 UDP的初始化参数：

/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into
 * the linked list inetsw.
 */
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
        {
                .type =       SOCK_STREAM,
                .protocol =   IPPROTO_TCP,
                .prot =       &tcp_prot,
                .ops =        &inet_stream_ops,
                .no_check =   0,
                .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
                              INET_PROTOSW_ICSK,
        },

        {
                .type =       SOCK_DGRAM,
                .protocol =   IPPROTO_UDP,
                .prot =       &udp_prot,
                .ops =        &inet_dgram_ops,
                .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
                .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },

            /* .... more protocols ... */

IPPROTO_UDP 协议类型有一个 ops 变量，包含很多信息，包括用于发送和接收数据的回调函数：

const struct proto_ops inet_dgram_ops = {
	.family          = PF_INET,
	.owner           = THIS_MODULE,
	
	/* ... */
	
	.sendmsg     = inet_sendmsg,
	.recvmsg     = inet_recvmsg,
	
	/* ... */
};
EXPORT_SYMBOL(inet_dgram_ops);

prot 字段指向一个协议相关的变量（的地址），对于 UDP 协议，其中包含了 UDP 相关的回调函数。UDP 协议对应的 prot 变量为 udp_prot，定义在 net/ipv4/udp.c：

struct proto udp_prot = {
	.name        = "UDP",
	.owner           = THIS_MODULE,
	
	/* ... */
	
	.sendmsg     = udp_sendmsg,
	.recvmsg     = udp_recvmsg,
	
	/* ... */
};
EXPORT_SYMBOL(udp_prot);

现在，让我们转向发送 UDP 数据的用户程序，看看 udp_sendmsg 是如何在内核中被调用的。

4. 通过 socket 发送网络数据

用户程序想发送 UDP 网络数据，因此它使用 sendto 系统调用：

ret = sendto(socket, buffer, buflen, 0, &dest, sizeof(dest));

该系统调用穿过Linux 系统调用（system call）层，最后到达net/socket.c中的这个函数：

/*
 *      Send a datagram to a given address. We move the address into kernel
 *      space and check the user space data area is readable before invoking
 *      the protocol.
 */

SYSCALL_DEFINE6(sendto, int, fd, void __user *, buff, size_t, len,
                unsigned int, flags, struct sockaddr __user *, addr,
                int, addr_len)
{
    /*  ... code ... */

    err = sock_sendmsg(sock, &msg, len);

    /* ... code  ... */
}

SYSCALL_DEFINE6 宏会展开成一堆宏，后者经过一波复杂操作创建出一个带 6 个参数的系统调用（因此叫 DEFINE6）。作为结果之一，会看到内核中的所有系统调用都带 sys_前缀。

sendto 代码会先将数据整理成底层可以处理的格式，然后调用 sock_sendmsg。特别地， 它将传递给 sendto 的地址放到另一个变量（msg）中：

iov.iov_base = buff;
iov.iov_len = len;
msg.msg_name = NULL;
msg.msg_iov = &iov;
msg.msg_iovlen = 1;
msg.msg_control = NULL;
msg.msg_controllen = 0;
msg.msg_namelen = 0;
if (addr) {
        err = move_addr_to_kernel(addr, addr_len, &address);
        if (err < 0)
                goto out_put;
        msg.msg_name = (struct sockaddr *)&address;
        msg.msg_namelen = addr_len;
}

这段代码将用户程序传入到内核的（存放待发送数据的）地址，作为 msg_name 字段嵌入到 struct msghdr 类型变量中。这和用户程序直接调用 sendmsg 而不是 sendto 发送数据差不多，这之所以可行，是因为 sendto 和 sendmsg 底层都会调用 sock_sendmsg。

4.1 sock_sendmsg, __sock_sendmsg, __sock_sendmsg_nosec

sock_sendmsg 做一些错误检查，然后调用__sock_sendmsg；后者做一些自己的错误检查 ，然后调用__sock_sendmsg_nosec。__sock_sendmsg_nosec 将数据传递到 socket 子系统的更深处：

static inline int __sock_sendmsg_nosec(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
                                       struct msghdr *msg, size_t size)
{
    struct sock_iocb *si =  ....

    /* other code ... */

    return sock->ops->sendmsg(iocb, sock, msg, size);
}

通过前面介绍的 socket 创建过程，可以知道注册到这里的 sendmsg 方法就是 inet_sendmsg。

4.2 inet_sendmsg

从名字可以猜到，这是 AF_INET 协议族提供的通用函数。此函数首先调用 sock_rps_record_flow 来记录最后一个处理该（数据所属的）flow 的 CPU; Receive Packet Steering 会用到这个信息。接下来，调用 socket 的协议类型（本例是 UDP）对应的 sendmsg 方法：

int inet_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
                 size_t size)
{
      struct sock *sk = sock->sk;

      sock_rps_record_flow(sk);

      /* We may need to bind the socket. */
      if (!inet_sk(sk)->inet_num && !sk->sk_prot->no_autobind && inet_autobind(sk))
              return -EAGAIN;

      return sk->sk_prot->sendmsg(iocb, sk, msg, size);
}
EXPORT_SYMBOL(inet_sendmsg);

本例是 UDP 协议，因此上面的 sk->sk_prot->sendmsg 指向的是之前看到的（通过 udp_prot 导出的）udp_sendmsg 函数。

sendmsg()函数作为分界点，处理逻辑从 AF_INET 协议族通用处理转移到具体的 UDP 协议的处理。

5. 总结

了解Linux内核网络数据包发送的详细过程，有助于我们进行网络监控和调优。本文只分析了协议层的注册和通过 socket 发送数据的过程，数据在传输层和网络层的详细发送过程将在下一篇文章中分析。

参考链接：

[1] https://blog.packagecloud.io/eng/2017/02/06/monitoring-tuning-linux-networking-stack-sending-data

[2] https://segmentfault.com/a/1190000008926093