socket层

UDP层

IP层

netdevice子系统

Device Driver

其它

本文将介绍在Linux系统中，以一个UDP包的接收过程作为示例，介绍数据包是如何一步一步从应用程序到网卡并最终发送出去的。

socket层socket(...)：创建一个socket结构体，并初始化相应的操作函数，由于我们定义的是UDP的socket，所以里面存放的都是跟UDP相关的函数sendto(sock, ...)：应用层的程序（Application）调用该函数开始发送数据包，该函数数会调用后面的inet_sendmsginet_sendmsg：该函数主要是检查当前socket有没有绑定源端口，如果没有的话，调用inet_autobind分配一个，然后调用UDP层的函数inet_autobind：该函数会调用socket上绑定的get_port函数获取一个可用的端口，由于该socket是UDP的socket，所以get_port函数会调到UDP代码里面的相应函数。UDP层udp_sendmsg：udp模块发送数据包的入口，该函数较长，在该函数中会先调用ip_route_output_flow获取路由信息（主要包括源IP和网卡），然后调用ip_make_skb构造skb结构体，最后将网卡的信息和该skb关联。ip_route_output_flow：该函数会根据路由表和目的IP，找到这个数据包应该从哪个设备发送出去，如果该socket没有绑定源IP，该函数还会根据路由表找到一个最合适的源IP给它。如果该socket已经绑定了源IP，但根据路由表，从这个源IP对应的网卡没法到达目的地址，则该包会被丢弃，于是数据发送失败，sendto函数将返回错误。该函数最后会将找到的设备和源IP塞进flowi4结构体并返回给udp_sendmsgip_make_skb：该函数的功能是构造skb包，构造好的skb包里面已经分配了IP包头，并且初始化了部分信息（IP包头的源IP就在这里被设置进去），同时该函数会调用__ip_append_dat，如果需要分片的话，会在__ip_append_data函数中进行分片，同时还会在该函数中检查socket的send buffer是否已经用光，如果被用光的话，返回ENOBUFSudp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb里面填充UDP的包头，同时处理checksum，然后调用IP层的相应函数。IP层ip_send_skb：IP模块发送数据包的入口，该函数只是简单的调用一下后面的函数__ip_local_out_sk：设置IP报文头的长度和checksum，然后调用下面netfilter的钩子NF_INET_LOCAL_OUT：netfilter的钩子，可以通过iptables来配置怎么处理该数据包，如果该数据包没被丢弃，则继续往下走dst_output_sk：该函数根据skb里面的信息，调用相应的output函数，在我们UDP IPv4这种情况下，会调用ip_outputip_output：将上面udp_sendmsg得到的网卡信息写入skb，然后调用NF_INET_POST_ROUTING的钩子NF_INET_POST_ROUTING：在这里，用户有可能配置了SNAT，从而导致该skb的路由信息发生变化ip_finish_output：这里会判断经过了上一步后，路由信息是否发生变化，如果发生变化的话，需要重新调用dst_output_sk（重新调用这个函数时，可能就不会再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函数里，这里有可能是xfrm4_transport_output），否则往下走ip_finish_output2：根据目的IP到路由表里面找到下一跳(nexthop)的地址，然后调用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表里面找下一跳的neigh信息，没找到的话会调用__neigh_create构造一个空的neigh结构体dst_neigh_output：在该函数中，如果上一步ip_finish_output2没得到neigh信息，那么将会走到函数neigh_resolve_output中，否则直接调用neigh_hh_output，在该函数中，会将neigh信息里面的mac地址填到skb中，然后调用dev_queue_xmit发送数据包neigh_resolve_output：该函数里面会发送arp请求，得到下一跳的mac地址，然后将mac地址填到skb中并调用dev_queue_xmitnetdevice子系统dev_queue_xmit：netdevice子系统的入口函数，在该函数中，会先获取设备对应的qdisc，如果没有的话（如loopback或者IP tunnels），就直接调用dev_hard_start_xmit，否则数据包将经过Traffic Control模块进行处理Traffic Control：这里主要是进行一些过滤和优先级处理，在这里，如果队列满了的话，数据包会被丢掉，详情请参考文档，这步完成后也会走到dev_hard_start_xmitdev_hard_start_xmit：该函数中，首先是拷贝一份skb给“packet taps”，tcpdump就是从这里得到数据的，然后调用ndo_start_xmit。如果dev_hard_start_xmit返回错误的话（大部分情况可能是NETDEV_TX_BUSY），调用它的函数会把skb放到一个地方，然后抛出软中断NET_TX_SOFTIRQ，交给软中断处理程序net_tx_action稍后重试（如果是loopback或者IP tunnels的话，失败后不会有重试的逻辑）ndo_start_xmit：这是一个函数指针，会指向具体驱动发送数据的函数Device Driver

ndo_start_xmit会绑定到具体网卡驱动的相应函数，到这步之后，就归网卡驱动管了，不同的网卡驱动有不同的处理方式，这里不做详细介绍，其大概流程如下：

将skb放入网卡自己的发送队列通知网卡发送数据包网卡发送完成后发送中断给CPU收到中断后进行skb的清理工作

在网卡驱动发送数据包过程中，会有一些地方需要和netdevice子系统打交道，比如网卡的队列满了，需要告诉上层不要再发了，等队列有空闲的时候，再通知上层接着发数据。

其它SO_SNDBUF: 从上面的流程中可以看出来，对于UDP来说，没有一个对应send buffer存在，SO_SNDBUF只是一个限制，当这个socket分配的skb占用的内存超过这个值的时候，会返回ENOBUFS，所以说只要不出现ENOBUFS错误，把这个值调大没有意义。从sendto函数的帮助文件里面看到这样一句话：(Normally, this does not occur in Linux. Packets are just silently dropped when a device queue overflows.)。这里的device queue应该指的是Traffic Control里面的queue，说明在linux里面，默认的SO_SNDBUF值已经够queue用了，疑问的地方是，queue的长度和个数是可以配置的，如果配置太大的话，按道理应该有可能会出现ENOBUFS的情况。txqueuelen: 很多地方都说这个是控制qdisc里queue的长度的，但貌似只是部分类型的qdisc用了该配置，如linux默认的pfifo_fast。hardware RX: 一般网卡都有一个自己的ring queue，这个queue的大小可以通过ethtool来配置，当驱动收到发送请求时，一般是放到这个queue里面，然后通知网卡发送数据，当这个queue满的时候，会给上层调用返回NETDEV_TX_BUSYpacket taps(AF_PACKET): 当第一次发送数据包和重试发送数据包时，都会经过这里。