译｜Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Sending Data（四）-阿里云开发者社区

IP 协议层

UDP 协议层简单地调用 ip_send_skb 传递 skbs 给 IP 协议，因此让我们从那开始，并掌握 IP 协议层！

`ip_send_skb`

ip_send_skb 函数位于 ./net/ipv4/ip_output.c 中，非常短。它只是向下调用 ip_local_out，如果 ip_local_out 返回某种错误，它就会增加错误统计信息。我们来看一下：

int ip_send_skb(struct net *net, struct sk_buff *skb)
{
        int err;
        err = ip_local_out(skb);
        if (err) {
                if (err > 0)
                        err = net_xmit_errno(err);
                if (err)
                        IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_OUTDISCARDS);
        }
        return err;
}

如上所述，调用 ip_local_out，然后处理返回值。调用 net_xmit_errno “翻译” 来自底层的错误为 IP 和 UDP 协议层可以理解的错误。如果发生错误，将增加 IP 协议统计信息 “OutDiscards” 。稍后我们将看到获得此统计信息要读取哪些文件。现在，让我们继续探索，看看 ip_local_out 会把我们带到哪里。

`ip_local_out` 和 `__ip_local_out`

幸运的是，ip_local_out 和 __ip_local_out 都很简单。ip_local_out 只是向下调用 __ip_local_out，并根据返回值调用路由层发送数据包：

int ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
        int err;
        err = __ip_local_out(skb);
        if (likely(err == 1))
                err = dst_output(skb);
        return err;
}

可以从 __ip_local_out 的源代码中看到，该函数首先做了两件重要的事情：

设置 IP 数据包的长度
调用 ip_send_check 计算要写入 IP 数据包报头的校验和。 ip_send_check 函数调用 ip_fast_csum 来计算校验和。在 x86 和 x86_64 体系结构上，此功能以汇编实现。你可以在这里阅读 64 位的实现，在这里阅读 32 位的实现。

接下来，IP 协议层调用 nf_hook 向下调用 netfilter。传回 nf_hook 函数的返回值给 ip_local_out。如果 nf_hook 返回 1，表明允许数据包通过，调用者应该自己传递它。正如我们在上面看到的，实际正是如此：ip_local_out 检查返回值 1，并调用 dst_output 传递数据包。让我们来看看 __ip_local_out 的代码：

int __ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
        struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
        iph->tot_len = htons(skb->len);
        ip_send_check(iph);
        return nf_hook(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT, skb, NULL,
                       skb_dst(skb)->dev, dst_output);
}

netfilter 和 `nf_hook`

简洁起见，我决定跳过对 netfilter、iptables 和 conntrack 的深入研究。你可以从这里和这里开始深入了解 netfilter 的源代码。

简版：nf_hook 是一个包装器，它调用 nf_hook_thresh，首先检查指定的协议族和钩子类型（在本例中分别为 NFPROTO_IPV4 和 NF_INET_LOCAL_OUT）是否安装了过滤器，并试图返回执行流程到 IP 协议层，以避免深入 netfilter 和在其下面的钩子，如 iptables 和 conntrack。

请记住：如果你有很多或非常复杂的 netfilter 或 iptables 规则，这些规则将在启动原始 sendmsg 调用的用户进程的 CPU 上下文中执行。如果您设置了 CPU pinning 以限制此进程的执行到特定的 CPU（或一组 CPU），请注意 CPU 将花费系统时间处理出站 iptables 规则。根据系统的工作负载，如果您在这里测量性能回归，您可能需要小心地固定进程到 CPU 或降低规则集的复杂性。

为了便于讨论，我们假设 nf_hook 返回 1 表示调用方（在本例中是 IP 协议层）应该自己传递数据包。

目标缓存

在 Linux 内核中，dst 代码实现了协议无关的目标缓存。为了理解如何设置 dst 条目以继续发送 UDP 数据报，我们需要简要地探讨一下 dst 条目和路由是如何生成的。目标缓存、路由和邻居子系统都可以单独进行极其详细的探讨。出于我们的目的，我们可以快速查看一下这一切是如何结合在一起的。

我们上面看到的代码调用了 dst_output(skb)。这个函数只是查找 skb 附加的 dst 条目 skb 并调用 output 函数。我们来看一下：

/* Output packet to network from transport.  */
static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
{
        return skb_dst(skb)->output(skb);
}

看起来很简单，但 output 函数起初是如何被关联到 dst 条目的呢？

重要的是要了解，有许多不同的方式添加目标缓存条目。到目前为止，我们在代码路径中看到的一种方式是从 udp_sendmsg 调用 ip_route_output_flow。 ip_route_output_flow 函数调用 __ip_route_output_key，后者调用 __mkroute_output。 __mkroute_output 函数创建路由和目标缓存条目。当它执行时，它会确定适合于此目标的输出函数。大多数时候，这个函数是 ip_output。

`ip_output`

因此，dst_output 执行 output 函数，在 UDP IPv4 情况下为 ip_output。 ip_output 函数很简单：

int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
        struct net_device *dev = skb_dst(skb)->dev;
        IP_UPD_PO_STATS(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_OUT, skb->len);
        skb->dev = dev;
        skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
        return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
                            ip_finish_output,
                            !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
}

首先，更新统计计数器 IPSTATS_MIB_OUT。 IP_UPD_PO_STATS 宏增加字节数和数据包数。我们将在后面的部分中看到如何获得 IP 协议层统计信息以及它们各自的含义。接下来，设置传输此 skb 的设备、协议。

最后，调用 NF_HOOK_COND 传递控制权给 netfilter。查看 NF_HOOK_COND 的函数原型有助于更清楚地解释它的工作原理。来源为 ./include/linux/netfilter.h：

static inline int
NF_HOOK_COND(uint8_t pf, unsigned int hook, struct sk_buff *skb,
             struct net_device *in, struct net_device *out,
             int (*okfn)(struct sk_buff *), bool cond)

NF_HOOK_COND 检查传入的条件。在此情况下，条件是 !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED。如果条件为真，那么传递 skb 给 netfilter。如果 netfilter 允许数据包通过，则调用 okfn。此情况下，okfn 是 ip_finish_output。

`ip_finish_output`

ip_finish_output函数也很简洁明了。我们来看一下：

static int ip_finish_output(struct sk_buff *skb)
{
#if defined(CONFIG_NETFILTER) && defined(CONFIG_XFRM)
        /* Policy lookup after SNAT yielded a new policy */
        if (skb_dst(skb)->xfrm != NULL) {
                IPCB(skb)->flags |= IPSKB_REROUTED;
                return dst_output(skb);
        }
#endif
        if (skb->len > ip_skb_dst_mtu(skb) && !skb_is_gso(skb))
                return ip_fragment(skb, ip_finish_output2);
        else
                return ip_finish_output2(skb);
}

如果在此内核中启用了 netfilter 和数据包转换，会更新 skb 的标志，并通过 dst_output 将其发送回。两种比较常见的情况是：

如果数据包的长度大于 MTU，并且数据包的分段不会卸载到设备，则调用 ip_fragment 以在传输之前对数据包进行分段。
否则，直接传递数据包到 ip_finish_output2。

在继续内核学习之前，让我们稍微绕个圈子来讨论一下路径 MTU 发现。

路径 MTU 发现

Linux 提供了一个我前面避免提到的特性：路径 MTU 发现。此功能允许内核自动确定特定路由的最大 MTU。确定此值并发送小于或等于路由 MTU 的数据包意味着可以避免 IP 分段。这是首选设置，因为数据包分段会消耗系统资源，而且似乎很容易避免：简单地发送足够小的数据包，就不需要分段。

调用 setsockopt，您可以在应用程序中使用 SOL_IP 级别和 IP_MTU_DISCOVER optname 调整每个套接字的路径 MTU 发现设置。optval 可以是 IP 协议手册页中描述的几个值之一。您可能希望设置的值为：IP_PMTUDISC_DO 表示“始终执行路径 MTU 发现”。更高级的网络应用程序或诊断工具可以选择自己实现 RFC 4821 ，以在应用程序启动时确定特定路由的 PMTU。在这种情况下，您可以使用 IP_PMTUDISC_PROBE 选项，该选项告诉内核设置“Don’t Fragment”位，允许您发送大于 PMTU 的数据。

调用 getsockopt，您的应用程序可以使用 SOL_IP 和 IP_MTU optname 来检索 PMTU。您可以使用它来帮助指导应用程序尝试在传输之前构造 UDP 数据报的大小。

如果已启用 PTMU 发现，则任何发送大于 PMTU 的 UDP 数据的尝试都将导致应用程序收到错误码 EMSGSIZE。然后，应用程序可以使用更少的数据重试。

强烈建议启用 PTMU 发现，因此我将避免详细描述 IP 分段代码路径。当查看 IP 协议层统计信息时，我将解释所有统计信息，包括与分段相关的统计信息。其中许多在 ip_fragment。无论是否分段，都调用了 ip_finish_output2，所以让我们继续。

`ip_finish_output2`

ip_finish_output2 在 IP 分段之后被调用，并且也直接从 ip_finish_output 调用。在向下传递数据包到邻居缓存之前，此函数增加各种统计计数器。让我们看看它是如何工作的：

static inline int ip_finish_output2(struct sk_buff *skb)
{
        /* variable declarations */
        if (rt->rt_type == RTN_MULTICAST) {
                IP_UPD_PO_STATS(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_OUTMCAST, skb->len);
        } else if (rt->rt_type == RTN_BROADCAST)
                IP_UPD_PO_STATS(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_OUTBCAST, skb->len);
        /* Be paranoid, rather than too clever. */
        if (unlikely(skb_headroom(skb) < hh_len && dev->header_ops)) {
                struct sk_buff *skb2;
                skb2 = skb_realloc_headroom(skb, LL_RESERVED_SPACE(dev));
                if (skb2 == NULL) {
                        kfree_skb(skb);
                        return -ENOMEM;
                }
                if (skb->sk)
                        skb_set_owner_w(skb2, skb->sk);
                consume_skb(skb);
                skb = skb2;
        }

如果与此数据包相关联的路由结构是组播类型，使用IP_UPD_PO_STATS 宏来增加 OutMcastPkts 和 OutMcastOctets 计数器。否则，如果路由类型为广播，则增加 OutBcastPkts 和 OutBcastOctets 计数器。

接下来，执行检查以确保 skb 结构具有足够的空间添加任何需要的链路层报头。如果没有，则调用 skb_realloc_headroom 来分配额外的空间，并且新 skb 的成本将计入相关套接字。

rcu_read_lock_bh();
nexthop = (__force u32) rt_nexthop(rt, ip_hdr(skb)->daddr);
neigh = __ipv4_neigh_lookup_noref(dev, nexthop);
if (unlikely(!neigh))
        neigh = __neigh_create(&arp_tbl, &nexthop, dev, false);

继续，我们可以看到，下一跳是查询路由层，然后查找邻居缓存得到的。如果找不到邻居，则调用 __neigh_create 创建一个。例如，数据第一次发送到另一台主机时可能出现此情况。请注意，此函数是调用 arp_tbl（在 ./net/ipv4/arp.c 中定义），在 ARP 表中创建邻居条目。其他系统（如 IPv6 或 DECnet）维护自己的 ARP 表，并传递不同的结构给 __neigh_create。本文并不旨在全面介绍邻居缓存，但如果必须创建邻居缓存，那么创建可能会导致缓存增长。这篇文章将在下面的章节中介绍更多关于邻居缓存的细节。无论如何，邻居缓存导出自己的统计信息，以便可以测量缓存增长。有关详细信息，请参阅下面的监控部分。

if (!IS_ERR(neigh)) {
                int res = dst_neigh_output(dst, neigh, skb);
                rcu_read_unlock_bh();
                return res;
        }
        rcu_read_unlock_bh();
        net_dbg_ratelimited("%s: No header cache and no neighbour!\n",
                            __func__);
        kfree_skb(skb);
        return -EINVAL;
}

最后，如果没有返回错误，则调用 dst_neigh_output 沿着输出的旅程传递 skb。否则，释放 skb 并返回 EINVAL。此处的错误将产生连锁反应，并增加 ip_send_skb 中的 OutDiscards。让我们继续探索 dst_neigh_output，并继续接近 Linux 内核的网络设备子系统。

`dst_neigh_output`

dst_neigh_output 函数为我们做了两件重要的事情。首先，回想一下在这篇博客文章的前面，我们看到如果用户通过辅助消息指定 MSG_CONFIRM 给 sendmsg 函数，则会翻转一个标志，指示远程主机的目标缓存条目仍然有效，不应被垃圾回收。该检查在这里发生，设置邻居的 confirmed 字段为当前的 jiffies 计数。

static inline int dst_neigh_output(struct dst_entry *dst, struct neighbour *n,
                                   struct sk_buff *skb)
{
        const struct hh_cache *hh;
        if (dst->pending_confirm) {
                unsigned long now = jiffies;
                dst->pending_confirm = 0;
                /* avoid dirtying neighbour */
                if (n->confirmed != now)
                        n->confirmed = now;
        }

其次，检查邻居的状态，并调用适当的输出函数。让我们来看看以下条件句，试着理解是怎么回事：

hh = &n->hh;
        if ((n->nud_state & NUD_CONNECTED) && hh->hh_len)
                return neigh_hh_output(hh, skb);
        else
                return n->output(n, skb);
}

如果邻居被认为是 NUD_CONNECTED，则意味着它是以下情况的一种或多种：

NUD_PERMANENT：静态路由。
NUD_NOARP：不需要 ARP 请求（例如，目的地是组播或广播地址，或环回设备）。
NUD_REACHABLE：邻居是“可达的”。只要 ARP 请求成功处理，目的地就会被标记为可达。

译｜Monitoring and Tuning the Linux Networking Stack: Sending Data（四）

IP 协议层

`ip_send_skb`

`ip_local_out` 和 `__ip_local_out`

netfilter 和 `nf_hook`

目标缓存

`ip_output`

`ip_finish_output`

路径 MTU 发现

`ip_finish_output2`

`dst_neigh_output`

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ip_local_out 和 __ip_local_out

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