深入理解Linux网络技术内幕-关键数据结构（一）

2460阅读　0评论2013-10-09　lcmust
分类：LINUX

    Linux网络子系统中存在一些很重要的数据结构，贯穿整个子系统，主要有以下两个：
    struct sk_buff:数据封包结构。所有的网络分层都会使用这个结构来存储其报头、有关用户数据，以及协调其他工作的其他内部信息。
    struct net_device：在Linux内核中，每种网络设备都用这个数据结构表示，包括软硬件的配置信息。

一、套接字缓冲区：sk_buff结构
    这可能是Linux网络代码中最重要的数据结构，表示数据报文。这个结构定义在头文件中，由巨大的变量堆组成，试图满足所有人的所有需求。
    这个结构的字段大致分为以下几个类型：
    网络层次
    通用字段
    功能专用
    管理函数
    在网络系统的不同网络层都会使用这个结构，而当这个结构从一个分层传到另一个分层时，其不同的字段会随之发生改变。如L4层在传递给L3之前会附加一个报头，通用L3到L2之前也会加上自己的报头。附加报头比把数据从一个分层拷贝到另一个分层更有效率。
    由于要在一个缓冲区开端新增空间(也就是修改指向缓冲区头部的指针),内核提供了skb_reserve函数来执行这个操作。所以，当缓冲区往下传递给每个网络层时，每层的协议首先要做的就是调用skb_reserve函数为该协议的报头预留空间。
    而在缓冲区向上传递给上层网络时，并没有本层报头从缓冲区中删除，二是将直线有效数据的指针向前移到上层的报头位置。
    由于网络代码提供了大量的选项性功能，不一定总是需要，如防火墙、多播、连接跟踪等，这些功能都会在sk_buff结构猪附加上字段。因此，sk_buff结构中有许多由C预处理#ifdef指令附加的字段。一般而言，任何引起内核数据结构改变的选项，都不适合编译成一个模块进行动态加载。  
    sk_buff中的某些字段是为了组织数据结构本身： 

  1. struct sk_buff {
  2.     /* These two members must be first. */
  3.     struct sk_buff        *next;
  4.     struct sk_buff        *prev;
    同时为了迅速找到整个表的头，在表的开端额外增加一个sk_buff_head结构作为一种哑元元素，sk_buff_head结构是：

  1. struct sk_buff_head {
  2.     /* These two members must be first. */
  3.     struct sk_buff    *next;
  4.     struct sk_buff    *prev;

  6.     __u32        qlen;
  7.     spinlock_t    lock;
  8. };
    qlen是表中元素的数目，lock是用于防止对表的并发访问。
    sk_buff和sk_buff_head结构的前两个元素是相同的，所以同样的函数也可用于操作sk_buff和sk_buff_head二者。
   sk_buff结构中的list字段指向表头：
sk_buff中的其他字段：

struct sock *sk：指向拥有此缓冲区的套接字的sock数据结构。当数据在本地产生或者正在由本地进程接收时，就需要这个指针，因为该数据以及套接字相关的信息会由L4层(TCP或UDP)以及用户应用程序使用。当缓冲区只是被转发时，该指针就是NULL。

unsigned int len：这是指缓冲区猪数据区块的大小。这个长度包括主要缓冲区(由head所指)的数据以及一些片段(fragment)的数据。当缓冲区从一个网络层传递给下一个网络层时，其值会发生变化。因为在协议栈中往上移动时，报头会被丢弃。但是往下移动时，报头会被添加进来，len会将协议报头长度算在里面。

unsigned int data_len：与len不同，data_len只计算片段中的数据大小

unsigned int mac_len：MAC报头的大小

atomic_t users：引用计数，或者使用这个sk_buff缓冲区的实例的数目。这个参数的的主要用途是避免这个结构仍在使用时，被另一个实例释放掉。users有时直接使用atimic_inc和atomic_dec函数递增和递减，但在大多数时候，采用skb_get和kfree_skb进行处理。

unsigned int truesize：表示此缓冲区的总大小，包括sk_buff结构本身。当此缓冲区得到所分配的len个字节的数据请求空间时，此字段的初始化由alloc_skb函数设置为len+sizeof(sk_buff)。每当skb->len的值增加时，此字段就会得到更新。

sk_buff_data_t tail
sk_buff_data_t end
unsigned char *head
unsigned char *data
这些字段代表缓冲区的边界以及其中的数据。当每一层为其工作而准备缓冲区时，可能会为了一个报头或更多的数据分配更多的空间。head和end指向已分配空间的开端和尾端，而data和tail指向实际数据的开端和尾端。因此，可以再head和data直接填充报文头，在tail和end之间增加新的数据。
其中tail和end根据系统是否使用NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET来决定使用偏移地址还是指针

  1. #ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
  2. typedef unsigned int sk_buff_data_t;
  3. #else
  4. typedef unsigned char *sk_buff_data_t;
  5. #endif
void (*destructor)(struct sk_buff *skb)：此函数指针所指的函数在缓冲区被删除时，完成某些工作。当此缓冲区不属于一个套接字时，destructor通常不会被初始化。但若属于一个套接字时，通常被设置为sock_rfree或sock_wfree。这两个函数可用于更新套接字队列猪所持有的内存。
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