網橋在內核的實現

我們知道netdevice有一個priv域，這個域用來保存設備的私有數據，當這個設備是一個網橋的時候，priv域也就指向一個struct net_bridge. 

接下來看net_bridge以及相關的數據結構： 

struct net_bridge
{
///自旋鎖
    spinlock_t          lock;
///網橋所有端口的鏈表,其中每個元素都是一個net_bridge_port結構。
    struct list_head        port_list;
///加到這個網橋的物理設備
    struct net_device       *dev;
///這個鎖是用來保護下面的那個hash鏈表。
    spinlock_t          hash_lock;
///保存forwarding database的一個hash鏈表(這個也就是地址學習的東東,所以通過hash能 快速定位),這裏每個元素都是一個net_bridge_fsb_entry結構
    struct hlist_head       hash[BR_HASH_SIZE];
///這個結構沒有被使用
    struct list_head        age_list;
    unsigned long           feature_mask;
#ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER
    struct rtable           fake_rtable;
#endif
    unsigned long           flags;
#define BR_SET_MAC_ADDR     0x00000001

///stp相關的一些東西
    bridge_id           designated_root;
    bridge_id           bridge_id;
    u32             root_path_cost;
    unsigned long           max_age;
    unsigned long           hello_time;
    unsigned long           forward_delay;
    unsigned long           bridge_max_age;
    unsigned long           ageing_time;
    unsigned long           bridge_hello_time;
    unsigned long           bridge_forward_delay;

    u8              group_addr[ETH_ALEN];
    u16             root_port;
///當前使用的協議。
    enum {
        BR_NO_STP,      /* no spanning tree */
        BR_KERNEL_STP,      /* old STP in kernel */
        BR_USER_STP,        /* new RSTP in userspace */
    } stp_enabled;

    unsigned char           topology_change;
    unsigned char           topology_change_detected;

///stp要用的一些定時器列表。
    struct timer_list       hello_timer;
    struct timer_list       tcn_timer;
    struct timer_list       topology_change_timer;
    struct timer_list       gc_timer;
    struct kobject          *ifobj;
};

struct net_bridge_port
{
///從屬於的網橋設備
    struct net_bridge       *br;
///表示鏈接到這個端口的物理設備
    struct net_device       *dev;
    struct list_head        list;
///stp相關的一些參數。
    u8              priority;
    u8              state;
    u16             port_no;
    unsigned char           topology_change_ack;
    unsigned char           config_pending;
    port_id             port_id;
    port_id             designated_port;
    bridge_id           designated_root;
    bridge_id           designated_bridge;
    u32             path_cost;
    u32             designated_cost;
///端口定時器，也就是stp控制超時的一些定時器列表.(詳細的需要去看stp的協議).
    struct timer_list       forward_delay_timer;
    struct timer_list       hold_timer;
    struct timer_list       message_age_timer;
    struct kobject          kobj;
    struct rcu_head         rcu;
};

struct net_bridge_fdb_entry
{
    struct hlist_node       hlist;
///橋的端口(最主要的兩個域就是這個域和下面的mac地址域)
    struct net_bridge_port      *dst;
///當使用RCU策略，纔用到
    struct rcu_head         rcu;
///引用計數
    atomic_t            use_count;
    unsigned long           ageing_timer;
///mac地址。
    mac_addr            addr;
    unsigned char           is_local;
    unsigned char           is_static;
};

通過下面的圖能更好的理解這個結構： 

 

接下來簡要的介紹一下網橋的初始化。 

網橋的初始化和一般網絡設備的初始化很相似，只不過由於它是虛擬設備，因此這裏還有一點不同。 

首先來看內核的網絡模塊的初始化br_init,也就是初始化上面介紹的數據結構: 

static int __init br_init(void)
{
    int err;
///stp的註冊。
    err = stp_proto_register(&br_stp_proto);
    if (err < 0) {
        printk(KERN_ERR "bridge: can't register sap for STP\n");
        return err;
    }

///forwarding database的初始化
    err = br_fdb_init();
    if (err)
        goto err_out;
///網橋的netfilter鉤子函數的初始化。
    err = br_netfilter_init();
    if (err)
        goto err_out1;
///註冊到netdevice的通知鏈上
    err = register_netdevice_notifier(&br_device_notifier);
    if (err)
        goto err_out2;

    err = br_netlink_init();
    if (err)
        goto err_out3;
///安裝網絡設備的do_ioctl函數，也就是提供給用戶空間ioctl接口。
    brioctl_set(br_ioctl_deviceless_stub);
    br_handle_frame_hook = br_handle_frame;

    br_fdb_get_hook = br_fdb_get;
    br_fdb_put_hook = br_fdb_put;

    return 0;
.........................................
    return err;
}

我們新建一個網橋，使用br_add_bridge，在這個函數中，主要是調用new_bridge_dev函數，下面我們主要就來看這個函數： 

static struct net_device *new_bridge_dev(const char *name)
{
    struct net_bridge *br;
    struct net_device *dev;

///這裏看到setup回調函數，是br_dev_setup(也就是網橋設備專用的)。setup函數的用途，可以看我以前寫的網絡設備初始化的blog。
    dev = alloc_netdev(sizeof(struct net_bridge), name,
               br_dev_setup);

    if (!dev)
        return NULL;
///得到priv數據。
    br = netdev_priv(dev);

///接下來初始化br數據結構。
    br->dev = dev;

    spin_lock_init(&br->lock);
    INIT_LIST_HEAD(&br->port_list);
    spin_lock_init(&br->hash_lock);

///網橋優先級 32768(也就是默認是0x8000)
    br->bridge_id.prio[0] = 0x80;
    br->bridge_id.prio[1] = 0x00;

    memcpy(br->group_addr, br_group_address, ETH_ALEN);

    br->feature_mask = dev->features;
    br->stp_enabled = BR_NO_STP;
    br->designated_root = br->bridge_id;
    br->root_path_cost = 0;
    br->root_port = 0;
    br->bridge_max_age = br->max_age = 20 * HZ;
    br->bridge_hello_time = br->hello_time = 2 * HZ;
    br->bridge_forward_delay = br->forward_delay = 15 * HZ;
    br->topology_change = 0;
    br->topology_change_detected = 0;
    br->ageing_time = 300 * HZ;
///初始化網橋設備的netfilter相關域。
    br_netfilter_rtable_init(br);

    INIT_LIST_HEAD(&br->age_list);

    br_stp_timer_init(br);

    return dev;
}

加一個新端口到一個網橋使用br_add_if方法。這裏就不詳細介紹這個方法了，不過這裏要注意，他會在sys文件系統下，生成一些相關的東西。要看sysfs的介紹，去看kernel的文檔。 

最後來看一下網橋的子系統在這個網絡子系統的位置： 




可以看到這裏有很多的hook在ip層，基本都是netfilter子系統的東西。 

這裏網橋的輸入幀的處理是通過br_handle_frame來處理的。而網橋的輸出幀是通過br_dev_xmit來處理的。 

當網絡幀通過NIC的設備驅動被接收了之後，skb->dev被實例化爲真實的設備，然後這個幀被放入網絡棧，然後當be_handle_frame_finish之後調用br_pass_frame_up。我們來看這個函數的實現： 

引用

static void br_pass_frame_up(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb) 
{ 
struct net_device *indev, *brdev = br->dev; 

brdev->stats.rx_packets++; 
brdev->stats.rx_bytes += skb->len; 

indev = skb->dev; 
///這步將真實的物理設備替換爲虛擬的網橋設備。因此對3層來說就完全不知道物理設備的存在了。 
skb->dev = brdev; 
///調用netfiltel的相關hook。 
NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL, 
netif_receive_skb); 
}

當這個函數執行完畢後，會再次調用netif_receive_skb，他則會再次調用handle_bridge,而此時由於設備已經替換爲虛擬的網橋設備，因此就會直接將包發往下層正確的協議處理。