Linux BSP实战课（网络篇）：数据包的发送过程

本文将以一个udp包的接收过程为例，详细介绍在linux系统中，数据包如何从应用程序逐步传输到网卡并最终发送出去。

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，因此其中包含与UDP相关的函数。sendto(sock, ...)：应用层程序（Application）调用该函数开始发送数据包，该函数会调用后续的inet_sendmsg。inet_sendmsg：该函数主要检查当前socket是否已绑定源端口，若未绑定，则调用inet_autobind分配一个端口，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，因此get_port函数会调用到UDP代码中的相应函数。

UDP层udp_sendmsg：udp模块发送数据包的入口函数，该函数较长。在该函数中，首先调用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，最后将网卡的信息与该skb关联。ip_route_output_flow：该函数根据路由表和目的IP，找到数据包应从哪个设备发送。如果该socket未绑定源IP，该函数还会根据路由表找到一个最合适的源IP。如果该socket已绑定源IP，但根据路由表，从该源IP对应的网卡无法到达目的地址，则该包会被丢弃，导致数据发送失败，sendto函数将返回错误。该函数最后将找到的设备和源IP塞进flowi4结构体并返回给udp_sendmsg。ip_make_skb：该函数的功能是构造skb包，构造好的skb包中已分配IP包头，并初始化了部分信息（IP包头的源IP在这里被设置）。同时，该函数会调用ip_append_data，如果需要分片，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是否已用完，若用完，则返回ENOBUFS。udp_send_skb(skb, fl4) 主要是往skb中填充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函数，该函数只是简单地调用后面的函数ip_local_out_sk：设置IP报文头的长度和checksum，然后调用netfilter的钩子NF_INET_LOCAL_OUT。NF_INET_LOCAL_OUT：netfilter的钩子，可以通过iptables配置如何处理该数据包。如果该数据包未被丢弃，则继续往下走。dst_output_sk：该函数根据skb中的信息，调用相应的output函数。在我们UDP IPv4这种情况下，会调用ip_output。ip_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：这里会判断经过上一步后，路由信息是否发生变化。如果发生变化，需要重新调用dst_output_sk（重新调用这个函数时，可能不会再走到ip_output，而是走到被netfilter指定的output函数，这里可能是xfrm4_transport_output），否则继续往下走。ip_finish_output2：根据目的IP到路由表中找到下一跳(nexthop)的地址，然后调用__ipv4_neigh_lookup_noref去arp表中找下一跳的neigh信息，若未找到，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未得到neigh信息，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信息中的mac地址填到skb中，然后调用dev_queue_xmit发送数据包。neigh_resolve_output：该函数中会发送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_xmit。

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netdevice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（如loopback或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：这里主要进行一些过滤和优先级处理。如果队列满了，数据包会被丢弃，详情请参考文档。这步完成后也会走到dev_hard_start_xmit。dev_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（大部分情况可能是NETDEV_TX_BUSY），调用它的函数会将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IP tunnels，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，到这一步之后，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，对于UDP来说，没有一个对应的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时，会返回ENOBUFS。因此，只要不出现ENOBUFS错误，把这个值调大没有意义。从sendto函数的帮助文件中看到这样一句话：(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中的queue，说明在Linux中，默认的SO_SNDBUF值已经足够queue使用。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：很多地方都说这是控制qdisc中queue长度的配置，但似乎只是部分类型的qdisc使用了该配置，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中，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_BUSY。 packet 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。

以上就是Linux BSP实战课（网络篇）：数据包的发送过程的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！