Linux 内核网络协议栈《socket、sock、sk_buff，etc》
通过前面的分析，可以发现，网络协议栈中的数据处理，都是基于各类结构体，所有有关于网络栈中数据包的状态，地址，端口等信息都封装在对应的结构中，可以说，了解这些数据结构是理解网络栈源码的基础，这里我们就来了解下网络协议栈中的各类数据结构。
1、socket
（include\linux\Socket.h）该结构体socket 主要使用在BSD socket 层，是上层的结构，在INET socket 层也会有涉及，但很少。
/*
* Internal representation of a socket. not all the fields are used by
* all configurations:
*
* server client
* conn client connected to server connected to
* iconn list of clients -unused-
* awaiting connections
* wait sleep for clients, sleep for connection,
* sleep for i/o sleep for i/o
*/
//该结构表示一个网络套接字
struct socket {
short type; /* 套接字所用的流类型*/
socket_state state;//套接字所处状态
long flags;//标识字段，目前尚无明确作用
struct proto_ops *ops; /* 操作函数集指针 */
/* data保存指向‘私有'数据结构指针，在不同的域指向不同的数据结构 */
//在INET域，指向sock结构，UNIX域指向unix_proto_data结构
void *data;
//下面两个字段只用于UNIX域
struct socket *conn; /* 指向连接的对端套接字 */
struct socket *iconn; /* 指向正等待连接的客户端(服务器端) */
struct socket *next;//链表
struct wait_queue **wait; /* 等待队列 */
struct inode *inode;//inode结构指针
struct fasync_struct *fasync_list; /* 异步唤醒链表结构 */
};
2、sock
(include\linux\Net.h) sock 的使用范围比socket 要大得多，sock结构的使用基本贯穿硬件层、设备接口层、ip层、INET socket 层，而且是作为各层之间的一个联系，主要是因为无论是发送还是接收的数据包都要被缓存到sock 结构中的缓冲队列中。sock 结构与其对应的 socket 会相互绑定。
/*
* This structure really needs to be cleaned up.
* Most of it is for TCP, and not used by any of
* the other protocols.
* 大部分功能是为TCP准备的
*/
struct sock {
struct options *opt;//IP选项缓冲于此处
volatile unsigned long wmem_alloc;//发送缓冲队列中存放的数据的大小，这两个与后面的rcvbuf和sndbuf一起使用
volatile unsigned long rmem_alloc;//接收缓冲队列中存放的数据的大小
/* 下面三个seq用于TCP协议中为保证可靠数据传输而使用的序列号 */
unsigned long write_seq;//
unsigned long sent_seq;//
unsigned long acked_seq;//
unsigned long copied_seq;//应用程序有待读取(但尚未读取)数据的个序列号
unsigned long rcv_ack_seq;//目前本地接收到的对本地发送数据的应答序列号
unsigned long window_seq;//窗口大小
unsigned long fin_seq;//应答序列号
//下面两个字段用于紧急数据处理
unsigned long urg_seq;//紧急数据大序列号
unsigned long urg_data;//标志位，1表示收到紧急数据
/*
* Not all are volatile, but some are, so we
* might as well say they all are.
*/
volatile char inuse,//表示其他进程正在使用该sock结构，本进程需等待
dead,//表示该sock结构已处于释放状态
urginline,//=1，表示紧急数据将被当做普通数据处理
intr,//
blog,
done,
reuse,
keepopen,//=1，使用保活定时器
linger,//=1，表示在关闭套接字时需要等待一段时间以确认其已关闭
delay_acks,//=1，表示延迟应答
destroy,//=1，表示该sock结构等待销毁
ack_timed,
no_check,
zapped, /* In ax25 & ipx means not linked */
broadcast,
nonagle;//=1，表示不使用NAGLE算法
//NAGLE算法:在前一个发送的数据包被应答之前，不可再继续发送其它数据包
unsigned long lingertime;//等待关闭操作的时间
int proc;//该sock结构所属的进程的进程号
struct sock *next;
struct sock *prev; /* Doubly linked chain.. */
struct sock *pair;
//下面两个字段用于TCP协议重发队列
struct sk_buff * volatile send_head;//这个队列中的数据均已经发送出去，但尚未接收到应答
struct sk_buff * volatile send_tail;
struct sk_buff_head back_log;//接收的数据包缓存队列，当套接字正忙时，数据包暂存在这里
struct sk_buff *partial;//用于创建大长度的待发送数据包
struct timer_list partial_timer;//定时器，用于按时发送partial指针指向的数据包
long retransmits;//重发次数
struct sk_buff_head write_queue,//指向待发送数据包
receive_queue;//读队列，表示数据报已被正式接收，该队列中的数据可被应用程序读取?
struct proto *prot;//传输层处理函数集
struct wait_queue **sleep;
unsigned long daddr;//sock结构所代表套接字的远端地址
unsigned long saddr;//本地地址
unsigned short max_unacked;//大未处理请求连接数
unsigned short window;//远端窗口大小
unsigned short bytes_rcv;//已接收字节总数
/* mss is min(mtu, max_window) */
unsigned short mtu; //和链路层协议密切相关 /* 大传输单元 */
volatile unsigned short mss; //大报文长度 =mtu-ip首部长度-tcp首部长度，也就是tcp数据包每次能够传输的大数据分段
volatile unsigned short user_mss; /* mss requested by user in ioctl */
volatile unsigned short max_window;//大窗口大小
unsigned long window_clamp;//窗口大小钳制值
unsigned short num;//本地端口号
//下面三个字段用于拥塞算法
volatile unsigned short cong_window;
volatile unsigned short cong_count;
volatile unsigned short ssthresh;
volatile unsigned short packets_out;//本地已发送出去但尚未得到应答的数据包数目
volatile unsigned short shutdown;//本地关闭标志位，用于半关闭操作
volatile unsigned long rtt;//往返时间估计值
volatile unsigned long mdev;//偏差
volatile unsigned long rto;//用rtt和mdev 用算法计算出的延迟时间值
/* currently backoff isn't used, but I'm maintaining it in case
* we want to go back to a backoff formula that needs it
*/
volatile unsigned short backoff;//退避算法度量值
volatile short err;//错误标志值
unsigned char protocol;//传输层协议值
volatile unsigned char state;//套接字状态值
volatile unsigned char ack_backlog;//缓存的未应答数据包个数
unsigned char max_ack_backlog;//大缓存的未应答数据包个数
unsigned char priority;//该套接字优先级
unsigned char debug;
unsigned short rcvbuf;//大接收缓冲区大小
unsigned short sndbuf;//大发送缓冲区大小
unsigned short type;//类型值如 SOCK_STREAM
unsigned char localroute;//=1,表示只使用本地路由 /* Route locally only */
#ifdef CONFIG_IPX
ipx_address ipx_dest_addr;
ipx_interface *ipx_intrfc;
unsigned short ipx_port;
unsigned short ipx_type;
#endif
#ifdef CONFIG_AX25
/* Really we want to add a per protocol private area */
ax25_address ax25_source_addr,ax25_dest_addr;
struct sk_buff *volatile ax25_retxq[8];
char ax25_state,ax25_vs,ax25_vr,ax25_lastrxnr,ax25_lasttxnr;
char ax25_condition;
char ax25_retxcnt;
char ax25_xx;
char ax25_retxqi;
char ax25_rrtimer;
char ax25_timer;
unsigned char ax25_n2;
unsigned short ax25_t1,ax25_t2,ax25_t3;
ax25_digi *ax25_digipeat;
#endif
#ifdef CONFIG_ATALK
struct atalk_sock at;
#endif
/* IP 'private area' or will be eventually */
int ip_ttl;//ip首部ttl字段值，实际上表示路由器跳数 /* TTL setting */
int ip_tos;//ip首部tos字段值，服务类型值 /* TOS */
struct tcphdr dummy_th;//缓存的tcp首部，在tcp协议中创建一个发送数据包时可以利用此字段快速创建tcp首部
struct timer_list keepalive_timer;//保活定时器，用于探测对方窗口大小，防止对方通报窗口大小的数据包丢弃 /* TCP keepalive hack */
struct timer_list retransmit_timer;//重发定时器，用于数据包超时重发 /* TCP retransmit timer */
struct timer_list ack_timer;//延迟应答定时器 /* TCP delayed ack timer */
int ip_xmit_timeout;//表示定时器超时原因 /* Why the timeout is running */
//用于ip多播
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
int ip_mc_ttl; /* Multicasting TTL */
int ip_mc_loop; /* Loopback (not implemented yet) */
char ip_mc_name[MAX_ADDR_LEN]; /* Multicast device name */
struct ip_mc_socklist *ip_mc_list; /* Group array */
#endif
/* This part is used for the timeout functions (timer.c). */
int timeout; /* What are we waiting for? */
struct timer_list timer; /* This is the TIME_WAIT/receive timer when we are doing IP */
struct timeval stamp;
/* identd */
//一个套接在在不同的层次上分别由socket结构和sock结构表示
struct socket *socket;
/* Callbacks *///回调函数
void (*state_change)(struct sock *sk);
void (*data_ready)(struct sock *sk,int bytes);
void (*write_space)(struct sock *sk);
void (*error_report)(struct sock *sk);
};
3、sk_buff
(include\linux\Skbuff.h) sk_buff 是网络数据报在内核中的表现形式，通过源码可以看出，数据包在内核协议栈中是通过这个数据结构来变现的。
从其中的 union 字段可以看出，该结构是贯穿在各个层的，可以说这个结构是用来为网络数据包服务的。其中的字段表明了数据包隶属的套接字、当前所处的协议层、所搭载的数据负载长度（data指针指向）、源端，目的端地址以及相关字段等。
主要重要的一个字段是 data[0]，这是一个指针，它指向对应层的数据报（首部+数据负载）内容的首地址。怎么解释呢？
如果在传输层，那么data指向的数据部分的首地址，其数据部分为 TCP 首部 + 有效数据负载。
如果在网络层，data指向的数据部分的首地址，其数据部分为 IP 首部 + TCP 首部 + 有效数据负载。
如果在链路层，data指向的首地址，其数据布局为 MAC 首部 + IP 首部 + TCP 首部 + 有效数据负载。
所以在该skb_buff结构传递时，获取某一层的首部，都是通过拷贝 data 指向地址对应首部大小的数据。
//sk_buff 结构用来封装网络数据
//网络栈代码对数据的处理都是以sk_buff 结构为单元进行的
struct sk_buff {
struct sk_buff * volatile next;
struct sk_buff * volatile prev;//构成队列
#if CONFIG_SKB_CHECK
int magic_debug_cookie; //调试用
#endif
struct sk_buff * volatile link3; //构成数据包重发队列
struct sock *sk; //数据包所属的套接字
volatile unsigned long when; //数据包的发送时间，用于计算往返时间RTT/* used to compute rtt's */
struct timeval stamp; //记录时间
struct device *dev; //接收该数据包的接口设备
struct sk_buff *mem_addr; //该sk_buff在内存中的基地址，用于释放该sk_buff结构
//联合类型，表示数据报在不同处理层次上所到达的处理位置
union {
struct tcphdr *th; //传输层tcp，指向首部个字节位置
struct ethhdr *eth; //链路层上，指向以太网首部个字节位置
struct iphdr *iph; //网络层上，指向ip首部个字节位置
struct udphdr *uh; //传输层udp协议，
unsigned char *raw; //随层次变化而变化，链路层=eth，网络层=iph
unsigned long seq; //针对tcp协议的待发送数据包而言，表示该数据包的ACK值
} h;
struct iphdr *ip_hdr; //指向ip首部的指针 /* For IPPROTO_RAW */
unsigned long mem_len; //表示sk_buff结构大小加上数据部分的总长度
unsigned long len; //只表示数据部分长度，len = mem_len - sizeof(sk_buff)
unsigned long fraglen; //分片数据包个数
struct sk_buff *fraglist; /* Fragment list */
unsigned long truesize; //同men_len
unsigned long saddr; //源端ip地址
unsigned long daddr; //目的端ip地址
unsigned long raddr; //数据包下一站ip地址 /* next hop addr */
//标识字段
volatile char acked, //=1，表示数据报已得到确认，可以从重发队列中删除
used, //=1，表示该数据包的数据已被应用程序读完，可以进行释放
free, //用于数据包发送，=1表示再进行发送操作后立即释放，无需缓存
arp; //用于待发送数据包，=1表示已完成MAC首部的建立，=0表示还不知道目的端MAC地址
//已进行tries试发送，该数据包正在被其余部分使用，路由类型，数据包类型
unsigned char tries,lock,localroute,pkt_type;
//下面是数据包的类型，即pkt_type的取值
#define PACKET_HOST 0 //发往本机 /* To us */
#define PACKET_BROADCAST 1 //广播
#define PACKET_MULTICAST 2 //多播
#define PACKET_OTHERHOST 3 //其他机器 /* Unmatched promiscuous */
unsigned short users; //使用该数据包的模块数 /* User count - see datagram.c (and soon seqpacket.c/stream.c) */
unsigned short pkt_class; /* For drivers that need to cache the packet type with the skbuff (new PPP) */
#ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING
unsigned short in_dev_queue; //该字段是否正在缓存于设备缓存队列中
#endif
unsigned long padding[0]; //填充字节
unsigned char data[0]; //指向该层数据部分
//data指向的数据负载首地址，在各个层对应不同的数据部分
//从侧面看出sk_buff结构基本上是贯穿整个网络栈的非常重要的一个数据结构
};
4、device
（include\linux\Netdevice.h）该结构表明了一个网络设备需要的字段信息。
/*
* The DEVICE structure.
* Actually, this whole structure is a big mistake. It mixes I/O
* data with strictly "high-level" data, and it has to know about
* almost every data structure used in the INET module.
*/
//网络设备结构
struct device
{
/*
* This is the first field of the "visible" part of this structure
* (i.e. as seen by users in the "Space.c" file). It is the name
* the interface.
*/
char *name;//设备名称
/* I/O specific fields - FIXME: Merge these and struct ifmap into one */
unsigned long rmem_end;//设备读缓冲区空间 /* shmem "recv" end */
unsigned long rmem_start; /* shmem "recv" start */
unsigned long mem_end;//设备总缓冲区首地址和尾地址 /* sahared mem end */
unsigned long mem_start; /* shared mem start */
unsigned long base_addr;//设备寄存器读写IO基地址 /* device I/O address */
unsigned char irq; //设备所使用中断号 /* device IRQ number */
/* Low-level status flags. */
volatile unsigned char start,//=1，表示设备已处于工作状态 /* start an operation */
tbusy,//=1，表示设备正忙于数据包发送 /* transmitter busy */
interrupt;//=1，软件正在进行设备中断处理 /* interrupt arrived */
struct device *next;//构成设备队列
/* The device initialization function. Called only once. */
int (*init)(struct device *dev);//设备初始化指针(函数指针)
/* Some hardware also needs these fields, but they are not part of the
usual set specified in Space.c. */
unsigned char if_port;//指定使用的设备端口号 /* Selectable AUI, TP,..*/
unsigned char dma;//设备所用的dma通道号 /* DMA channel */
struct enet_statistics* (*get_stats)(struct device *dev);//设备信息获取函数指针
/*
* This marks the end of the "visible" part of the structure. All
* fields hereafter are internal to the system, and may change at
* will (read: may be cleaned up at will).
*/
/* These may be needed for future network-power-down code. */
unsigned long trans_start;//用于传输超时计算 /* Time (in jiffies) of last Tx */
unsigned long last_rx;//上次接收一个数据包的时间 /* Time of last Rx */
unsigned short flags;//标志位 /* interface flags (a la BSD) */
unsigned short family;//设备所属的域协议 /* address family ID (AF_INET) */
unsigned short metric; /* routing metric (not used) */
unsigned short mtu;//该接口设备的大传输单元，ip首部+tcp首部+有效数据负载，去掉了以太网帧的帧头 /* interface MTU value*/
unsigned short type;//该设备所属硬件类型 /* interface hardware type */
unsigned short hard_header_len;//硬件首部长度 /* hardware hdr length */
void *priv;//私有数据指针 /* pointer to private data */
/* Interface address info. */
unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN];//链路层硬件广播地址 /* hw bcast add */
unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN];//本设备硬件地址 /* hw address */
unsigned char addr_len;//硬件地址长度 /* hardware address length */
unsigned long pa_addr;//本地ip地址 /* protocol address */
unsigned long pa_brdaddr;//网络层广播ip地址 /* protocol broadcast addr */
unsigned long pa_dstaddr;//点对点网络中对点的ip地址 /* protocol P-P other side addr */
unsigned long pa_mask;//ip地址网络掩码 /* protocol netmask */
unsigned short pa_alen;//ip地址长度 /* protocol address length */
struct dev_mc_list *mc_list;//多播地址链表 /* Multicast mac addresses */
int mc_count;//多播地址数目 /* Number of installed mcasts */
struct ip_mc_list *ip_mc_list;//网络层ip多播地址链表 /* IP multicast filter chain */
/* For load balancing driver pair support */
unsigned long pkt_queue;//该设备缓存的待发送的数据包个数 /* Packets queued */
struct device *slave;//从设备 /* Slave device */
/* Pointer to the interface buffers. */
struct sk_buff_head buffs[DEV_NUMBUFFS];//设备缓存的待发送的数据包
//函数指针
/* Pointers to interface service routines. */
int (*open)(struct device *dev);
int (*stop)(struct device *dev);
int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev);
int (*hard_header) (unsigned char *buff,
struct device *dev,
unsigned short type,
void *daddr,
void *saddr,
unsigned len,
struct sk_buff *skb);
int (*rebuild_header)(void *eth, struct device *dev,
unsigned long raddr, struct sk_buff *skb);
//用于从接收到的数据包提取MAC首部中类型字符值，从而将数据包传送给适当的协议处理函数进行处理
unsigned short (*type_trans) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev);
#define HAVE_MULTICAST
void (*set_multicast_list)(struct device *dev,
int num_addrs, void *addrs);
#define HAVE_SET_MAC_ADDR
int (*set_mac_address)(struct device *dev, void *addr);
#define HAVE_PRIVATE_IOCTL
int (*do_ioctl)(struct device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);
#define HAVE_SET_CONFIG
int (*set_config)(struct device *dev, struct ifmap *map);
};
5、tcp 首部格式
//tcp首部格式
//http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/44598537
struct tcphdr {
__u16 source;//源端口号
__u16 dest;//目的端口号
__u32 seq;//32位序列号
__u32 ack_seq;//32位确认号
#if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
__u16 res1:4,//4位首部长度
doff:4,//保留
//下面为各个控制位
fin:1,//后控制位，表示数据已全部传输完成
syn:1,//同步控制位
rst:1,//重置控制位
psh:1,//推控制位
ack:1,//确认控制位
urg:1,//紧急控制位
res2:2;//
#elif defined(BIG_ENDIAN_BITFIELD)
__u16 doff:4,
res1:4,
res2:2,
urg:1,
ack:1,
psh:1,
rst:1,
syn:1,
fin:1;
#else
#error "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"
#endif
__u16 window;//16位窗口大小
__u16 check;//16位校验和
__u16 urg_ptr;//16位紧急指针
};
6、ip 首部格式
//ip数据报，首部格式
struct iphdr {
#if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)//如果是小端模式
__u8 ihl:4,//首部长度
version:4;//版本
#elif defined (BIG_ENDIAN_BITFIELD)//大端
__u8 version:4,
ihl:4;
#else
#error "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif
__u8 tos;//区分服务，用语表示数据报的优先级和服务类型
__u16 tot_len;//总长度，标识整个ip数据报的总长度 = 报头+数据部分
__u16 id;//表示ip数据报的标识符
__u16 frag_off;//片偏移
__u8 ttl;//生存时间，即ip数据报在网络中传输的有效期
__u8 protocol;//协议，标识此ip数据报在传输层所采用的协议类型
__u16 check;//首部校验和
__u32 saddr;//源地址
__u32 daddr;//目的地址
/*The options start here. */
};
7、以太网帧帧头格式
/* This is an Ethernet frame header. */
struct ethhdr {
unsigned char h_dest[ETH_ALEN];//目的地址 /* destination eth addr */
unsigned char h_source[ETH_ALEN];//源地址 /* source ether addr */
unsigned short h_proto;//类型 /* packet type ID field */
};
8、ARP报文报头
/*
* This structure defines an ethernet arp header.
*/
//ARP报文格式(arp报头)
struct arphdr
{
unsigned short ar_hrd;//硬件类型 /* format of hardware address */
unsigned short ar_pro;//上层协议类型 /* format of protocol address */
unsigned char ar_hln;//MAC地址长度 /* length of hardware address */
unsigned char ar_pln;//协议地址长度 /* length of protocol address */
unsigned short ar_op;//操作类型 /* ARP opcode (command) */
#if 0
/*
* Ethernet looks like this : This bit is variable sized however...
*/
unsigned char ar_sha[ETH_ALEN];//源MAC地址 /* sender hardware address */
unsigned char ar_sip[4];//源IP地址 /* sender IP address */
unsigned char ar_tha[ETH_ALEN];//目的MAC地址 /* target hardware address */
unsigned char ar_tip[4];//目的IP地址 /* target IP address */
#endif
};
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