网络数据包收发流程(四)：协议栈之packet_type

进入函数netif_receive_skb()后，skb正式开始协议栈之旅。
先上图，协议栈大致过程如下所示：

跟OSI七层模型不同，linux根据包结构对网络进行分层。
比如，arp头和ip头都是紧跟在以太网头后面的，所以在linux协议栈中arp和ip地位相同(如上图)
但是在OSI七层模型中，arp属于链路层，ip属于网络层.....
这里就不死抠概念，我们就说arp，ip都属于第二层。下面是网络第二层的处理流程

一、相关数据结构
内核处理网络第二层，有下面2个重要list_head变量 （文件linux_2_6_24/net/core/dev.c)
list_head 链表上挂了很多packet_type数据结构

static struct list_head ptype_base[16] __read_mostly;   /* 16 way hashed list */
static struct list_head ptype_all __read_mostly;        /* Taps */

struct packet_type {
    __be16 type;                /* This is really htons(ether_type).*/
    struct net_device   *dev;   /* NULL is wildcarded here       */
    int     (* func) (struct sk_buff *,
                     struct net_device *,
                     struct packet_type *,
                     struct net_device *);
    struct sk_buff    *(*gso_segment)(struct sk_buff *skb, int features);
    int    (*gso_send_check)(struct sk_buff *skb);
    void   *af_packet_priv;
    struct list_head    list;
};

type 成员保存了二层协议类型，ETH_P_IP、ETH_P_ARP等等
func 成员就是钩子函数了，如 ip_rcv()、arp_rcv()等等

二、操作packet_type的API
//把packet_type结构挂在与type对应的list_head上面
void dev_add_pack(struct packet_type *pt){
    int hash;
    spin_lock_bh(&ptype_lock);
    if (pt->type == htons(ETH_P_ALL))        //type为ETH_P_ALL时，挂在ptype_all上面
        list_add_rcu(&pt->list, &ptype_all);
    else {
        hash = ntohs(pt->type) & 15;         //否则，挂在ptype_base[type&15]上面
        list_add_rcu(&pt->list, &ptype_base[hash]);
    }
    spin_unlock_bh(&ptype_lock);
}

//把packet_type从list_head上删除
void dev_remove_pack(struct packet_type *pt){
    __dev_remove_pack(pt);
    synchronize_net();
}
void __dev_remove_pack(struct packet_type *pt){
    struct list_head *head;
    struct packet_type *pt1;
    spin_lock_bh(&ptype_lock);
    if (pt->type == htons(ETH_P_ALL))
        head = &ptype_all;                        //找到链表头
    else
        head = &ptype_base[ntohs(pt->type) & 15]; //

    list_for_each_entry(pt1, head, list) {
        if (pt == pt1) {
            list_del_rcu(&pt->list);
            goto out;
        }
    }
    printk(KERN_WARNING "dev_remove_pack: %p not found.\n", pt);
out:
    spin_unlock_bh(&ptype_lock);
}

三、进入二层协议处理函数
int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
   //略去一些代码
    rcu_read_lock();
    //第一步：先处理 ptype_all 上所有的 packet_type->func()           
    //所有包都会调func，对性能影响严重！内核默认没挂任何钩子函数
    list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {  //遍历ptye_all链表
        if (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev) {    //上面的paket_type.type 为 ETH_P_ALL
            if (pt_prev)                                //对所有包调用paket_type.func()
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev); //此函数最终调用paket_type.func()
            pt_prev = ptype;
        }
    }
    //第二步：若编译内核时选上BRIDGE，下面会执行网桥模块
    //调用函数指针 br_handle_frame_hook(skb), 在动态模块 linux_2_6_24/net/bridge/br.c中
    //br_handle_frame_hook = br_handle_frame;
    //所以实际函数 br_handle_frame。
    //注意：在此网桥模块里初始化 skb->pkt_type 为 PACKET_HOST、PACKET_OTHERHOST
    skb = handle_bridge(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
    if (!skb) goto out;

    //第三步：编译内核时选上MAC_VLAN模块，下面才会执行
    //调用 macvlan_handle_frame_hook(skb), 在动态模块linux_2_6_24/drivers/net/macvlan.c中
    //macvlan_handle_frame_hook = macvlan_handle_frame;
    //所以实际函数为 macvlan_handle_frame。
    //注意：此函数里会初始化 skb->pkt_type 为 PACKET_BROADCAST、PACKET_MULTICAST、PACKET_HOST
    skb = handle_macvlan(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
    if (!skb)  goto out;

    //第四步：最后 type = skb->protocol; &ptype_base[ntohs(type)&15]
    //处理ptype_base[ ntohs(type)&15 ]上的所有的 packet_type->func()
    //根据第二层不同协议来进入不同的钩子函数，重要的有：ip_rcv() arp_rcv()
    type = skb->protocol;
    list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_base[ntohs(type)&15], list) {
        if (ptype->type == type &&                      //遍历包type所对应的链表
            (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev)) {  //调用链表上所有pakcet_type.func()
            if (pt_prev)
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev); //就这里！arp包会调arp_rcv()
            pt_prev = ptype;                               //        ip包会调ip_rcv()
        }
    }
    if (pt_prev) {
        ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
    } else {               //下面就是数据包从协议栈返回来了
        kfree_skb(skb);    //注意这句，若skb没进入socket的接收队列，则在这里被释放
        ret = NET_RX_DROP; //若skb进入接收队列，则系统调用取包时skb释放，这里skb引用数减一而已
    }
out:
    rcu_read_unlock();
    return ret;
}

int deliver_skb(struct sk_buff *skb,struct packet_type *pt_prev, struct net_device *orig_dev){
    atomic_inc(&skb->users); //这句不容忽视，与后面流程的kfree_skb()相呼应
    return pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev); //调函数ip_rcv() arp_rcv()等
}

这里只是将大致流程，arp_rcv(), ip_rcv() 什么的具体流程，以后再写。

四、网络抓包tcpdump
tcpdump也是在二层抓包的，用的是libpcap库，它的基本原理是
1.先创建socket，内核dev_add_packet()挂上自己的钩子函数
2.然后在钩子函数中，把skb放到自己的接收队列中，
3.接着系统调用recv取出skb来，把数据包skb->data拷贝到用户空间
4.最后关闭socket，内核dev_remove_packet()删除自己的钩子函数

下面是一些重要的数据结构，用到的钩子函数都在这里初始化好了
static const struct proto_ops packet_ops = {
    .family =    PF_PACKET,
    .owner =    THIS_MODULE,
    .release =    packet_release,    //关闭socket的时候调这个
    .bind =        packet_bind,
    .connect =    sock_no_connect,
    .socketpair =    sock_no_socketpair,
    .accept =    sock_no_accept,
    .getname =    packet_getname,
    .poll =        packet_poll,
    .ioctl =    packet_ioctl,
    .listen =    sock_no_listen,
    .shutdown =    sock_no_shutdown,
    .setsockopt =    packet_setsockopt,
    .getsockopt =    packet_getsockopt,
    .sendmsg =    packet_sendmsg,
    .recvmsg =    packet_recvmsg,   // socket收包的时候调这个
    .mmap =        packet_mmap,
    .sendpage =    sock_no_sendpage,
};

static struct net_proto_family packet_family_ops = {
    .family =    PF_PACKET,
    .create =    packet_create,     //创建socket的时候调这个
    .owner    =    THIS_MODULE,
};

至于系统调用 socket、recv、close是如何调到这些内核钩子函数的，以后再讲。这里只关注packet_type

4.1 系统调用socket
libpcap系统调用socket，内核最终调用 packet_create
static int packet_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol){
    po->prot_hook.func = packet_rcv;   //初始化钩子函数指针
    po->prot_hook.af_packet_priv = sk;
    if (protocol) {
        po->prot_hook.type = protocol;  //类型是系统调用socket形参指定的
        dev_add_pack(&po->prot_hook);//关键！！
        sock_hold(sk);
        po->running = 1;
    }
    return(0);
}

4.2 钩子函数 packet_rcv 将skb放入到接收队列
文件 linux_2_6_24/net/packet/af_packet.c
简单来说，packet_rcv中，skb越过了整个协议栈，直接进入队列

4.3 系统调用recv
系统调用recv、read、recvmsg，内核最终会调用 packet_recvmsg
从接收队列中取出skb，将数据包内容skb->data拷贝到用户空间

4.4 系统调用close
内核最终会调用 packet_release
static int packet_release(struct socket *sock){
    struct sock *sk = sock->sk;
    struct packet_sock *po;
    if (!sk)  return 0;
    po = pkt_sk(sk);
    write_lock_bh(&packet_sklist_lock);
    sk_del_node_init(sk);
    write_unlock_bh(&packet_sklist_lock);
    // Unhook packet receive handler.
    if (po->running) {
        dev_remove_pack(&po->prot_hook);   //就是这句！！把packet_type从链表中删除
        po->running = 0;
        po->num = 0;
        __sock_put(sk);
    }
    packet_flush_mclist(sk);
     // Now the socket is dead. No more input will appear.
    sock_orphan(sk);
    sock->sk = NULL;
    /* Purge queues */
    skb_queue_purge(&sk->sk_receive_queue);
    sk_refcnt_debug_release(sk);
    sock_put(sk);
    return 0;
}

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搜一下内核源代码，二层协议还真是多。。。
drivers/net/wan/hdlc.c: dev_add_pack(&hdlc_packet_type);  //ETH_P_HDLC    hdlc_rcv
drivers/net/wan/lapbether.c:
            dev_add_pack(&lapbeth_packet_type);         //ETH_P_DEC       lapbeth_rcv
drivers/net/wan/syncppp.c:
            dev_add_pack(&sppp_packet_type);            //ETH_P_WAN_PPP   sppp_rcv
drivers/net/bonding/bond_alb.c:  dev_add_pack(pk_type); //ETH_P_ARP       rlb_arp_recv
drivers/net/bonding/bond_main.c:dev_add_pack(pk_type);  //PKT_TYPE_LACPDU bond_3ad_lacpdu_recv
drivers/net/bonding/bond_main.c:dev_add_pack(pt);       //ETH_P_ARP       bond_arp_rcv
drivers/net/pppoe.c: dev_add_pack(&pppoes_ptype);       //ETH_P_PPP_SES   pppoe_rcv
drivers/net/pppoe.c: dev_add_pack(&pppoed_ptype);       //ETH_P_PPP_DISC  pppoe_disc_rcv
drivers/net/hamradio/bpqether.c:
                    dev_add_pack(&bpq_packet_type);     //ETH_P_BPQ       bpq_rcv
net/ipv4/af_inet.c:  dev_add_pack(&ip_packet_type);     //ETH_P_IP       ip_rcv
net/ipv4/arp.c:    dev_add_pack(&arp_packet_type);      //ETH_P_ARP       arp_rcv
net/ipv4/ipconfig.c:  dev_add_pack(&rarp_packet_type);  //ETH_P_RARP      ic_rarp_recv
net/ipv4/ipconfig.c:  dev_add_pack(&bootp_packet_type); //ETH_P_IP        ic_bootp_recv
net/llc/llc_core.c: dev_add_pack(&llc_packet_type);     //ETH_P_802_2     llc_rcv
net/llc/llc_core.c: dev_add_pack(&llc_tr_packet_type);  //ETH_P_TR_802_2  llc_rcv
net/x25/af_x25.c:  dev_add_pack(&x25_packet_type);    //ETH_P_X25      x25_lapb_receive_frame
net/8021q/vlan.c:  dev_add_pack(&vlan_packet_type);     //ETH_P_8021Q     vlan_skb_recv

这些不同协议的packet_type，有些是linux系统启动时挂上去的
比如处理ip协议的pakcet_type，就是在 inet_init()时挂上去的
还有些驱动模块加载的时候才加上去的。