Linux 2.6.32 sk_buff 的结构分析

3080阅读　0评论2011-11-04　lthyxy
分类：LINUX

我看的内核版本是2.6.32.

在内核中sk_buff表示一个网络数据包，它是一个双向链表，而链表头就是sk_buff_head,在老的内核里面sk_buff会有一个list域直接指向sk_buff_head也就是链表头，现在在2.6.32里面这个域已经被删除了。

而sk_buff的内存布局可以分作3个段，第一个就是sk_buff自身，第二个是linear-data buff,第三个是paged-data buff（也就是skb_shared_info）。



ok.我们先来看sk_buff_head的结构。它也就是所有sk_buff的头。

Java代码 复制代码
  1. struct sk_buff_head {   
  2.     /* These two members must be first. */  
  3.     struct sk_buff  *next;   
  4.     struct sk_buff  *prev;   
  5.   
  6.     __u32       qlen;   
  7.     spinlock_t  lock;   
  8. };  



这里可以看到前两个域是和sk_buff一致的，而且内核的注释是必须放到最前面。这里的原因是：

这使得两个不同的结构可以放到同一个链表中，尽管sk_buff_head要比sk_buff小巧的多。另外，相同的函数可以同样应用于sk_buff和sk_buff_head。

然后qlen域表示了当前的sk_buff链上包含多少个skb。

lock域是自旋锁。

然后我们来看sk_buff，下面就是skb的结构：

我这里注释了一些简单的域，复杂的域下面会单独解释。

Java代码 复制代码
  1.   
  2. struct sk_buff {   
  3.     /* These two members must be first. */  
  4.     struct sk_buff      *next;   
  5.     struct sk_buff      *prev;   
  6.   
  7. //表示从属于那个socket，主要是被4层用到。   
  8.     struct sock     *sk;   
  9. //表示这个skb被接收的时间。   
  10.     ktime_t         tstamp;   
  11. //这个表示一个网络设备，当skb为输出时它表示skb将要输出的设备，当接收时，它表示输入设备。要注意，这个设备有可能会是虚拟设备(在3层以上看来)   
  12.     struct net_device   *dev;   
  13. ///这里其实应该是dst_entry类型，不知道为什么内核要改为ul。这个域主要用于路由子系统。这个数据结构保存了一些路由相关信息   
  14.     unsigned long       _skb_dst;   
  15. #ifdef CONFIG_XFRM   
  16.     struct  sec_path    *sp;   
  17. #endif   
  18. ///这个域很重要，我们下面会详细说明。这里只需要知道这个域是保存每层的控制信息的就够了。   
  19.     char            cb[48];   
  20. ///这个长度表示当前的skb中的数据的长度，这个长度即包括buf中的数据也包括切片的数据，也就是保存在skb_shared_info中的数据。这个值是会随着从一层到另一层而改变的。下面我们会对比这几个长度的。   
  21.     unsigned int        len,   
  22. ///这个长度只表示切片数据的长度，也就是skb_shared_info中的长度。   
  23.                 data_len;   
  24. ///这个长度表示mac头的长度(2层的头的长度)   
  25.     __u16           mac_len,   
  26. ///这个主要用于clone的时候，它表示clone的skb的头的长度。   
  27.                 hdr_len;   
  28.   
  29. ///接下来是校验相关的域。   
  30.     union {   
  31.         __wsum      csum;   
  32.         struct {   
  33.             __u16   csum_start;   
  34.             __u16   csum_offset;   
  35.         };   
  36.     };   
  37. ///优先级，主要用于QOS。   
  38.     __u32           priority;   
  39.     kmemcheck_bitfield_begin(flags1);   
  40. ///接下来是一些标志位。   
  41. //首先是是否可以本地切片的标志。   
  42.     __u8            local_df:1,   
  43. ///为1说明头可能被clone。   
  44.                 cloned:1,   
  45. ///这个表示校验相关的一个标记,表示硬件驱动是否为我们已经进行了校验(前面的blog有介绍)   
  46.                 ip_summed:2,   
  47. ///这个域如果为1,则说明这个skb的头域指针已经分配完毕，因此这个时候计算头的长度只需要head和data的差就可以了。   
  48.                 nohdr:1,   
  49. ///这个域不太理解什么意思。   
  50.                 nfctinfo:3;   
  51.   
  52. ///pkt_type主要是表示数据包的类型，比如多播，单播，回环等等。   
  53.     __u8            pkt_type:3,   
  54. ///这个域是一个clone标记。主要是在fast clone中被设置，我们后面讲到fast clone时会详细介绍这个域。   
  55.                 fclone:2,   
  56. ///ipvs拥有的域。   
  57.                 ipvs_property:1,   
  58. ///这个域应该是udp使用的一个域。表示只是查看数据。   
  59.                 peeked:1,   
  60. ///netfilter使用的域。是一个trace 标记   
  61.                 nf_trace:1;   
  62. ///这个表示L3层的协议。比如IP,IPV6等等。   
  63.     __be16          protocol:16;   
  64.     kmemcheck_bitfield_end(flags1);   
  65. ///skb的析构函数，一般都是设置为sock_rfree或者sock_wfree.   
  66.     void            (*destructor)(struct sk_buff *skb);   
  67.   
  68. ///netfilter相关的域。   
  69. #if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK) || defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MODULE)   
  70.     struct nf_conntrack *nfct;   
  71.     struct sk_buff      *nfct_reasm;   
  72. #endif   
  73. #ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER   
  74.     struct nf_bridge_info   *nf_bridge;   
  75. #endif   
  76.   
  77. ///接收设备的index。   
  78.     int         iif;   
  79.   
  80. ///流量控制的相关域。   
  81. #ifdef CONFIG_NET_SCHED   
  82.     __u16           tc_index;   /* traffic control index */  
  83. #ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT   
  84.     __u16           tc_verd;    /* traffic control verdict */  
  85. #endif   
  86. #endif   
  87.   
  88.     kmemcheck_bitfield_begin(flags2);   
  89. ///多队列设备的映射，也就是说映射到那个队列。   
  90.     __u16           queue_mapping:16;   
  91. #ifdef CONFIG_IPV6_NDISC_NODETYPE   
  92.     __u8            ndisc_nodetype:2;   
  93. #endif   
  94.     kmemcheck_bitfield_end(flags2);   
  95.   
  96.     /* 0/14 bit hole */  
  97.   
  98. #ifdef CONFIG_NET_DMA   
  99.     dma_cookie_t        dma_cookie;   
  100. #endif   
  101. #ifdef CONFIG_NETWORK_SECMARK   
  102.     __u32           secmark;   
  103. #endif   
  104. ///skb的标记。   
  105.     __u32           mark;   
  106.   
  107. ///vlan的控制tag。   
  108.     __u16           vlan_tci;   
  109.   
  110. ///传输层的头   
  111.     sk_buff_data_t      transport_header;   
  112. ///网络层的头   
  113.     sk_buff_data_t      network_header;   
  114. ///链路层的头。   
  115.     sk_buff_data_t      mac_header;   
  116. ///接下来就是几个操作skb数据的指针。下面会详细介绍。   
  117.     sk_buff_data_t      tail;   
  118.     sk_buff_data_t      end;   
  119.     unsigned char       *head,   
  120.                 *data;   
  121. ///这个表示整个skb的大小，包括skb本身，以及数据。   
  122.     unsigned int        truesize;   
  123. ///skb的引用计数   
  124.     atomic_t        users;   
  125. };  



我们来看前面没有解释的那些域。

先来看cb域，他保存了每层所独自需要的内部数据。我们来看tcp的例子。

我们知道tcp层的控制信息保存在tcp_skb_cb中，因此来看内核提供的宏来存取这个数据结构：

Java代码 复制代码
  1. #define TCP_SKB_CB(__skb)  ((struct tcp_skb_cb *)&((__skb)->cb[0]))  



在ip层的话，我们可能会用cb来存取切片好的帧。

Java代码 复制代码
  1. #define FRAG_CB(skb)    ((struct ipfrag_skb_cb *)((skb)->cb))  



到这里你可能会问如果我们想要在到达下一层后，还想保存当前层的私有信息怎么办。这个时候我们就可以使用skb的clone了。也就是之只复制sk_buff结构。

然后我们来看几个比较比较重要的域 len,data,tail,head,end。

这几个域都很简单，下面这张图表示了buffer从tcp层到链路层的过程中len，head，data，tail以及end的变化，通过这个图我们可以非常清晰的了解到这几个域的区别。




可以很清楚的看到head指针为分配的buffer的起始位置，end为结束位置，而data为当前数据的起始位置，tail为当前数据的结束位置。len就是数据区的长度。

然后来看transport_header，network_header以及mac_header的变化，这几个指针都是随着数据包到达不同的层次才会有对应的值，我们来看下面的图，这个图表示了当从2层到达3层对应的指针的变化。




这里可以看到data指针会由于数据包到了三层，而跳过2层的头。这里我们就可以得到data起始真正指的是本层的头以及数据的起始位置。

然后我们来看skb的几个重要操作函数。

首先是skb_put,skb_push,skb_pull以及skb_reserve这几个最长用的操作data指针的函数。

这里可以看到内核skb_XXX都还有一个__skb_XXX函数，这是因为前一个只是将后一个函数进行了一个包装，加了一些校验。

先来看__skb_put函数。
可以看到它只是将tail指针移动len个位置，然后len也相应的增加len个大小。

Java代码 复制代码
  1. static inline unsigned char *__skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len)   
  2. {   
  3.     unsigned char *tmp = skb_tail_pointer(skb);   
  4.     SKB_LINEAR_ASSERT(skb);   
  5. ///改变相应的域。   
  6.     skb->tail += len;   
  7.     skb->len  += len;   
  8.     return tmp;   
  9. }  



然后是__skb_push,它是将data指针向上移动len个位置，对应的len肯定也是增加len大小。

Java代码 复制代码
  1. static inline unsigned char *__skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len)   
  2. {   
  3.     skb->data -= len;   
  4.     skb->len  += len;   
  5.     return skb->data;   
  6. }  



剩下的两个就不贴代码了，都是很简单的函数，__skb_pull是将data指针向下移动len个位置，然后len减小len大小。__skb_reserve是将整个数据区，也就是data以及tail指针一起向下移动len大小。这个函数一般是用来对齐地址用的。

看下面的图，描述了4个函数的操作：




接着是skb的alloc函数。

在内核中分配一个skb是在__alloc_skb中实现的，接下来我们就来看这个函数的具体实现。

这个函数起始可以看作三部分，第一部分是从cache中分配内存，第二部分是初始化分配的skb的相关域。第三部分是处理fclone。

还有一个要注意的就是这里__alloc_skb是被三个函数包装后才能直接使用的，我们只看前两个，一个是skb_alloc_skb,一个是alloc_skb_fclone函数，这两个函数传递进来的第三个参数，也就是fclone前一个是0,后一个是1.

那么这个函数是什么意思呢，它和alloc_skb有什么区别的。

这 个函数可以叫做Fast SKB cloning函数，这个函数存在的主要原因是，以前我们每次skb_clone一个skb的时候，都是要调用kmem_cache_alloc从 cache中alloc一块新的内存。而现在当我们拥有了fast clone之后，通过调用alloc_skb_fclone函数来分配一块大于sizeof(struct sk_buff)的内存，也就是在这次请求的skb的下方多申请了一些内存，然后返回的时候设置返回的skb的fclone标记为 SKB_FCLONE_ORIG，而多申请的那块内存的sk_buff的fclone为SKB_FCLONE_UNAVAILABLE，这样当我们调用 skb_clone克隆这个skb的时候看到fclone的标记就可以直接将skb的指针+1,而不需要从cache中取了。这样的话节省了一次内存存 取，提高了clone的效率，不过调用flcone 一般都是我们确定接下来这个skb会被clone很多次。

更详细的fclone的介绍可以看这里：



这样我们先来看_alloc_skb,然后紧接着看skb_clone,这样就能更好的理解这些。

这里fclone的多分配的内存部分，没太弄懂从那里多分配的，自己对内核的内存子系统还是不太熟悉。觉得应该是skbuff_fclone_cache中会自动多分配些内存。

Java代码 复制代码
  1.   
  2. struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,   
  3.                 int fclone, int node)   
  4. {   
  5.     struct kmem_cache *cache;   
  6.     struct skb_shared_info *shinfo;   
  7.     struct sk_buff *skb;   
  8.     u8 *data;   
  9.   
  10. ///这里通过fclone的值来判断是要从fclone cache还是说从head cache中取。   
  11.     cache = fclone ? skbuff_fclone_cache : skbuff_head_cache;   
  12.   
  13. ///首先是分配skb，也就是包头。   
  14.     skb = kmem_cache_alloc_node(cache, gfp_mask & ~__GFP_DMA, node);   
  15.     if (!skb)   
  16.         goto out;   
  17. ///首先将size对齐，这里是按一级缓存的大小来对齐。   
  18.     size = SKB_DATA_ALIGN(size);   
  19. ///然后是数据区的大小，大小为size+ sizeof(struct skb_shared_info的大小。   
  20.     data = kmalloc_node_track_caller(size + sizeof(struct skb_shared_info),   
  21.             gfp_mask, node);   
  22.     if (!data)   
  23.         goto nodata;   
  24.   
  25. ///初始化相关域。   
  26.     memset(skb, 0, offsetof(struct sk_buff, tail));   
  27. ///这里truesize可以看到就是我们分配的整个skb+data的大小   
  28.     skb->truesize = size + sizeof(struct sk_buff);   
  29. ///users加一。   
  30.     atomic_set(&skb->users, 1);   
  31. ///一开始head和data是一样大的。   
  32.     skb->head = data;   
  33.     skb->data = data;   
  34. ///设置tail指针   
  35.     skb_reset_tail_pointer(skb);   
  36. ///一开始tail也就是和data是相同的。   
  37.     skb->end = skb->tail + size;   
  38.     kmemcheck_annotate_bitfield(skb, flags1);   
  39.     kmemcheck_annotate_bitfield(skb, flags2);   
  40. #ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET   
  41.     skb->mac_header = ~0U;   
  42. #endif   
  43.   
  44. ///初始化shinfo,这个我就不介绍了，前面的blog分析切片时，这个结构很详细的分析过了。   
  45.     shinfo = skb_shinfo(skb);   
  46.     atomic_set(&shinfo->dataref, 1);   
  47.     shinfo->nr_frags  = 0;   
  48.     shinfo->gso_size = 0;   
  49.     shinfo->gso_segs = 0;   
  50.     shinfo->gso_type = 0;   
  51.     shinfo->ip6_frag_id = 0;   
  52.     shinfo->tx_flags.flags = 0;   
  53.     skb_frag_list_init(skb);   
  54.     memset(&shinfo->hwtstamps, 0, sizeof(shinfo->hwtstamps));   
  55.   
  56. ///fclone为1,说明多分配了一块内存，因此需要设置对应的fclone域。   
  57.     if (fclone) {   
  58. ///可以看到多分配的内存刚好在当前的skb的下方。   
  59.         struct sk_buff *child = skb + 1;   
  60.         atomic_t *fclone_ref = (atomic_t *) (child + 1);   
  61.   
  62.         kmemcheck_annotate_bitfield(child, flags1);   
  63.         kmemcheck_annotate_bitfield(child, flags2);   
  64. ///设置标记。这里要注意，当前的skb和多分配的skb设置的fclone是不同的。   
  65.         skb->fclone = SKB_FCLONE_ORIG;   
  66.         atomic_set(fclone_ref, 1);   
  67.   
  68.         child->fclone = SKB_FCLONE_UNAVAILABLE;   
  69.     }   
  70. out:   
  71.     return skb;   
  72. nodata:   
  73.     kmem_cache_free(cache, skb);   
  74.     skb = NULL;   
  75.     goto out;   
  76. }  



下图就是alloc_skb之后的skb的指针的状态。这里忽略了fclone。




然后我们来看skb_clone函数，clone的意思就是只复制skb而不复制data域。

这里它会先判断将要被clone的skb的fclone段，以便与决定是否重新分配一块内存来保存skb。

然后调用__skb_clone来初始化相关的域。

Java代码 复制代码
  1.   
  2. struct sk_buff *skb_clone(struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask)   
  3. {   
  4.     struct sk_buff *n;   
  5.   
  6. ///n为skb紧跟着那块内存，这里如果skb是通过skb_fclone分配的，那么n就是一个skb。   
  7.     n = skb + 1;   
  8. ///skb和n的fclone都要符合要求，可以看到这里的值就是我们在__alloc_skb中设置的值。   
  9.     if (skb->fclone == SKB_FCLONE_ORIG &&   
  10.         n->fclone == SKB_FCLONE_UNAVAILABLE) {   
  11. ///到这里，就说明我们不需要alloc一个skb，直接取n就可以了，并且设置fclone的标记。并修改引用计数。   
  12.         atomic_t *fclone_ref = (atomic_t *) (n + 1);   
  13.         n->fclone = SKB_FCLONE_CLONE;   
  14.         atomic_inc(fclone_ref);   
  15.     } else {   
  16.   
  17. ///这里就需要从cache中取得一块内存。   
  18.         n = kmem_cache_alloc(skbuff_head_cache, gfp_mask);   
  19.         if (!n)   
  20.             return NULL;   
  21.   
  22.         kmemcheck_annotate_bitfield(n, flags1);   
  23.         kmemcheck_annotate_bitfield(n, flags2);   
  24. ///设置新的skb的fclone域。这里我们新建的skb，没有被fclone的都是这个标记。   
  25.         n->fclone = SKB_FCLONE_UNAVAILABLE;   
  26.     }   
  27.   
  28.     return __skb_clone(n, skb);   
  29. }  



这里__skb_clone就不介绍了，函数就是将要被clone的skb的域赋值给clone的skb。

下图就是skb_clone之后的两个skb的结构图：



当 一个skb被clone之后，这个skb的数据区是不能被修改的，这就意为着，我们存取数据不需要任何锁。可是有时我们需要修改数据区，这个时候会有两个 选择，一个是我们只修改linear段，也就是head和end之间的段，一种是我们还要修改切片数据，也就是skb_shared_info.

这样就有两个函数供我们选择，第一个是pskb_copy,第二个是skb_copy.

我们先来看pskb_copy,函数先alloc一个新的skb，然后调用skb_copy_from_linear_data来复制线性区的数据。

Java代码 复制代码
  1.   
  2. struct sk_buff *pskb_copy(struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask)   
  3. {   
  4.     /*  
  5.      *  Allocate the copy buffer  
  6.      */  
  7.     struct sk_buff *n;   
  8. #ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET   
  9.     n = alloc_skb(skb->end, gfp_mask);   
  10. #else  
  11.     n = alloc_skb(skb->end - skb->head, gfp_mask);   
  12. #endif   
  13.     if (!n)   
  14.         goto out;   
  15.   
  16.     /* Set the data pointer */  
  17.     skb_reserve(n, skb->data - skb->head);   
  18.     /* Set the tail pointer and length */  
  19.     skb_put(n, skb_headlen(skb));   
  20. ///复制线性数据段。   
  21.     skb_copy_from_linear_data(skb, n->data, n->len);   
  22. ///更新相关域   
  23.     n->truesize += skb->data_len;   
  24.     n->data_len  = skb->data_len;   
  25.     n->len        = skb->len;   
  26.   
  27. ///下面只是复制切片数据的指针   
  28. if (skb_shinfo(skb)->nr_frags) {   
  29.         int i;   
  30.   
  31.         for (i = 0; i < skb_shinfo(skb)->nr_frags; i++) {   
  32.             skb_shinfo(n)->frags[i] = skb_shinfo(skb)->frags[i];   
  33.             get_page(skb_shinfo(n)->frags[i].page);   
  34.         }   
  35.         skb_shinfo(n)->nr_frags = i;   
  36.     }   
  37.   
  38. ...............................   
  39.     copy_skb_header(n, skb);   
  40. out:   
  41.     return n;   
  42. }  



然后是skb_copy,它是复制skb的所有数据段，包括切片数据：

Java代码 复制代码
  1. struct sk_buff *skb_copy(const struct sk_buff *skb, gfp_t gfp_mask)   
  2. {   
  3.     int headerlen = skb->data - skb->head;   
  4.     /*  
  5.      *  Allocate the copy buffer  
  6.      */  
  7. //先alloc一个新的skb   
  8.     struct sk_buff *n;   
  9. #ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET   
  10.     n = alloc_skb(skb->end + skb->data_len, gfp_mask);   
  11. #else  
  12.     n = alloc_skb(skb->end - skb->head + skb->data_len, gfp_mask);   
  13. #endif   
  14.     if (!n)   
  15.         return NULL;   
  16.   
  17.     /* Set the data pointer */  
  18.     skb_reserve(n, headerlen);   
  19.     /* Set the tail pointer and length */  
  20.     skb_put(n, skb->len);   
  21. ///然后复制所有的数据。   
  22.     if (skb_copy_bits(skb, -headerlen, n->head, headerlen + skb->len))   
  23.         BUG();   
  24.   
  25.     copy_skb_header(n, skb);   
  26.     return n;   
  27. }  



下面这张图就表示了psb_copy和skb_copy调用后的内存模型，其中a是pskb_copy,b是skb_copy:





最后来看skb的释放：
这里主要是判断一个引用标记位users,将它减一，如果大于0则直接返回，否则释放skb。

Java代码 复制代码
  1. void kfree_skb(struct sk_buff *skb)   
  2. {   
  3.     if (unlikely(!skb))   
  4.         return;   
  5.     if (likely(atomic_read(&skb->users) == 1))   
  6.         smp_rmb();   
  7. ///减一，然后判断。   
  8.     else if (likely(!atomic_dec_and_test(&skb->users)))   
  9.         return;   
  10.     trace_kfree_skb(skb, __builtin_return_address(0));   
  11.     __kfree_skb(skb);   
  12. } 
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