linux下ip協議(V4)的實現(一)

首先來看校驗相關的一些結構： 

1 net_device結構： 

包含一個features的域，這個表示設備的一些特性(比如控制校驗),下面的幾個flag就是用來控制校驗： 

#define NETIF_F_IP_CSUM     2   /* Can checksum TCP/UDP over IPv4. */
#define NETIF_F_NO_CSUM     4   /* Does not require checksum. F.e. loopack. */
#define NETIF_F_HW_CSUM     8   /* Can checksum all the packets. */
#define NETIF_F_IPV6_CSUM   16  /* Can checksum TCP/UDP over IPV6 */

每個flags的介紹，註釋裏面都寫得很清楚，這裏就不一一解釋了。這裏要注意的是NETIF_F_HW_CSUM，他其實表示在硬件上爲所有協議校驗。 

2 sk_buff： 

skb->csum和skb->ip_summed這兩個域也是與校驗相關的，這兩個域的含義依賴於skb表示的是一個輸入包還是一個輸出幀。 

當數據包是一個輸入包時，skb->csum表示的是當前數據包的4層的checksum值，skb->ip_summed表示的是四層校驗的狀態，下面的幾個宏定義表示了設備驅動傳遞給4層的一些信息(通過ip_sumed),這裏要注意，一旦當四層接受了這個包，他可能會改變ip_summed的值。 

/* Don't change this without changing skb_csum_unnecessary! */
#define CHECKSUM_NONE 0
#define CHECKSUM_UNNECESSARY 1
#define CHECKSUM_COMPLETE 2

CHECKSUM_NONE表示csum域中的校驗值是錯誤的，也就是校驗失敗。這裏要注意的是，一般來說當2層的校驗失敗後，驅動會直接丟掉這個包，可是如果輸入幀是要被forward的，那麼路由器不應該由於一個四層的校驗失敗而丟掉這個包(路由器不建議查看四層的校驗值)，它將會將這位置爲CHECKSUM_NONE,然後將包發向目的地址，交由目的地址的主機來進行處理。 

CHECKSUM_UNNECESSARY表示網卡已經計算和驗證了四層的頭和校驗值。也就是計算了tcp udp的僞頭。還有一種情況就是迴環，因爲在迴環中錯誤發生的概率太低了，因此就不需要計算校驗來節省cpu事件。 

CHECKSUM_COMPLETE表示nic已經計算了4層頭的校驗，並且csum已經被賦值，此時4層的接收者只需要加僞頭並驗證校驗結果。 

接下來我們來看當數據包是輸出包時的情況，此時csum表示爲一個指針，它表示硬件網卡存放將要計算的校驗值的地址。這個域在輸出包時使用，只在校驗值在硬件計算的情況下。比如NAT，它會修改ip頭，此時就需要重新計算4層的校驗值，也就是從4層傳遞下來的4層校驗值需要在底層進行修改。當修改後，我們在底層就可以通過csum來存取這個校驗值。 

而此時ip_summed可以被設置的值有下面兩種： 

#define CHECKSUM_NONE 0
#define CHECKSUM_COMPLETE 2

這時含義就完全不一樣了。第一個表示已經計算好了校驗值，設備不需要做任何事。 

第二個表示4層的僞頭的校驗已經完畢，並且已經加入到ip頭中，此時只需要設備計算整個頭4層頭的校驗值。 


主要來看一下ip輸入數據包的處理，也就是ip協議處理函數。 

具體的協議註冊什麼的，可以看我前面的blog，這裏我們知道處理ip輸入的函數是ip_rcv. 

先來看下當執行ip_rcv執行之前，sk_buff的結構： 


 

int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev)
{
    struct iphdr *iph;
    u32 len;

    ///我們知道當爲PACKET_OTHERHOST是，2層就會直接丟掉所有的包，可是如果網卡被設置爲混雜模式，此時包就會傳遞到3層，這個時侯內核會有hook來處理這個，而我們這裏就只需要直接丟掉所有的包。
    if (skb->pkt_type == PACKET_OTHERHOST)
        goto drop;

    IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INRECEIVES);

///檢測這個數據包是否被內核其他部分使用，也就是監測引用計數。如果有被其他部分使用，則直接複製一份副本，然後返回。
    if ((skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL) {
        IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INDISCARDS);
        goto out;
    }

//檢測skb->data的數據至少要和ip頭大小一樣。(這個原因很簡單，每個包都必須包含一個ip頭，如果比ip頭還小，說明包頭有錯誤了。
    if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(struct iphdr)))
        goto inhdr_error;
///取出ip頭
    iph = ip_hdr(skb);

    /*
     *  RFC1122: 3.2.1.2 MUST silently discard any IP frame that fails the checksum.
     *
     *  Is the datagram acceptable?
     *
     *  1.  Length at least the size of an ip header
     *  2.  Version of 4
     *  3.  Checksums correctly. [Speed optimisation for later, skip loopback checksums]
     *  4.  Doesn't have a bogus length
     */

///ip頭的ihl域表示ip頭的大小(就是也就是IP層頭部包含多少個32位)，version表示ip協議版本，這裏第一個檢測的原因是基本ip頭的大小是20個字節，也就是最小爲20個字節，20*8/32=5,所以最小必須是5。而這裏版本，由於這個只處理ipv4，因此version必須是4.
    if (iph->ihl < 5 || iph->version != 4)
        goto inhdr_error;

///這次來檢測整個ip頭的大小(包括option)和skb->data.這個檢測到這裏才執行，是因爲，必須首先確定ip頭的基本正確。
    if (!pskb_may_pull(skb, iph->ihl*4))
        goto inhdr_error;

    iph = ip_hdr(skb);

///開始校驗ip頭,也就是開始三層校驗。
    if (unlikely(ip_fast_csum((u8 *)iph, iph->ihl)))
        goto inhdr_error;
///取出整個ip頭的長度(包括option)
    len = ntohs(iph->tot_len);
///接下來的檢測是因爲在2層由於要滿足最小幀的大小，因此可能會填充一些空數據，而三層ip頭計算長度時，會忽略這些空數據，因此這裏的skb->len一定是大於或等於len
    if (skb->len < len) {
        IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INTRUNCATEDPKTS);
        goto drop;
    } else if (len < (iph->ihl*4))
///這個判斷是因爲ip頭不能被切包，也就是每個切好的包必須至少包含一個ip頭。
        goto inhdr_error;

    /* Our transport medium may have padded the buffer out. Now we know it
     * is IP we can trim to the true length of the frame.
     * Note this now means skb->len holds ntohs(iph->tot_len).
     */
///這裏也就是我們上面說的情況，需要把skb->len和len統一起來(去除掉空數據)
    if (pskb_trim_rcsum(skb, len)) {
        IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INDISCARDS);
        goto drop;
    }

    /* Remove any debris in the socket control block */
    memset(IPCB(skb), 0, sizeof(struct inet_skb_parm));

///調用net filter hook。
    return NF_HOOK(PF_INET, NF_INET_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
               ip_rcv_finish);

inhdr_error:
    IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INHDRERRORS);
drop:
    kfree_skb(skb);
out:
    return NET_RX_DROP;
}

我們這裏先不詳細介紹net filter，這裏我們只需要知道，在NF_HOOK中，會檢測每個包(通過用戶空間設置的規則)然後來決定要不要這個數據包通過。最後如果允許的話，就會調用 ip_rcv_finish函數。所以這裏我們詳細看下 ip_rcv_finish函數： 

它主要會做兩件事： 

1 決定這個包是被傳遞給高層，還是被forward。 

2 解析並執行一些ip option。 

static int ip_rcv_finish(struct sk_buff *skb)
{
    const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
    struct rtable *rt;

    /*
     *  Initialise the virtual path cache for the packet. It describes
     *  how the packet travels inside Linux networking.
     */

///查找路由表的相關操作。
    if (skb->dst == NULL) {
///查找路由。這裏也會初始化skb->dst->input。
    int err = ip_route_input(skb, iph->daddr, iph->saddr, iph->tos,
                     skb->dev);
        if (unlikely(err)) {
            if (err == -EHOSTUNREACH)
                IP_INC_STATS_BH(dev_net(skb->dev),
                        IPSTATS_MIB_INADDRERRORS);
            else if (err == -ENETUNREACH)
                IP_INC_STATS_BH(dev_net(skb->dev),
                        IPSTATS_MIB_INNOROUTES);
            goto drop;
        }
    }

///QOS的相關操作.
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ROUTE
    if (unlikely(skb->dst->tclassid)) {
        struct ip_rt_acct *st = per_cpu_ptr(ip_rt_acct, smp_processor_id());
        u32 idx = skb->dst->tclassid;
        st[idx&0xFF].o_packets++;
        st[idx&0xFF].o_bytes+=skb->len;
        st[(idx>>16)&0xFF].i_packets++;
        st[(idx>>16)&0xFF].i_bytes+=skb->len;
    }
#endif


///當ihl比5大，意味着有option。因此調用ip_rcv_options來進行解析和執行。
    if (iph->ihl > 5 && ip_rcv_options(skb))
        goto drop;
    rt = skb->rtable;
    if (rt->rt_type == RTN_MULTICAST)
        IP_INC_STATS_BH(dev_net(rt->u.dst.dev), IPSTATS_MIB_INMCASTPKTS);
    else if (rt->rt_type == RTN_BROADCAST)
        IP_INC_STATS_BH(dev_net(rt->u.dst.dev), IPSTATS_MIB_INBCASTPKTS);

///最後調用skb->dst->input,而這個虛函數的的值，首先是在ip_route_input中賦值，然後在 ip_rcv_options也有可能被修改。這個虛函數要麼被ip_local_deliver(也就是直接發向高層),要麼是ip_forward(直接被forward).這兩個函數以後會詳細介紹。
    return dst_input(skb);

drop:
    kfree_skb(skb);
    return NET_RX_DROP;
}