Linux内核网络协议栈笔记

2011-08-11 15:54:-微型葡萄-点击数:1641

Linux内核网络协议栈笔记0：序言（附参考书籍）

自己是研究网络的，但实际上对Linux中网络协议栈的实现知之甚少。最近看完《深入理解Linux内核》前几章之后（特别是与网络子系统密切相关的软中断），觉得可以而且应该看一下网络协议栈了。这部分网上的文章大部分都没有什么结构和思路，很少有能够条分缕析的把协议栈讲述明白的。当然，个人水平有限，还是希望朋友们能够批评指正。

参考书籍《Understanding Linux Network Internals》以及《The Linux Networking Architecture Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel》，在我的Skydrive里（点这里）可以下到英文chm版。

先大体说说这两本巨著吧。前者确实是一本关于internals的书，前三个part：General

Background/System Initialization/Transmission and Reception以及第5个part：IPv4比较有用，而且思路

也与本文所采用的吻合：从系统初始化到数据包的发送与接收。而后者也确实是一本architecture的书，采用了与TCP/IP协议栈（不是OSI 7层）一样的5层架构自底向上讲述了Linux内核的相关内容。

全系列文章都基于Linux内核2.6.11版本，如果最新版本（当前是2.6.30）有较大变化，也会给与标出。

Linux内核网络协议栈笔记1：协议栈分层/层次结构

大家都知道TCP/IP协议栈现在是世界上最流行的网络协议栈，恐怕它的普及的最重要的原因就是其清晰的层次结构以及清晰定义的原语和接口。不仅使得上层应用开发者可以无需关心下层架构或者内部

机制，从而相对透明的操作网络。这个明显的层次结构也可以在Linux内核的网络协议栈中观察到。

主要的参考文献是：Linux网络栈剖析（中文版）/Anatomy of Linux networking stack（英文原版）by Tim Jones.

以及：Linux内核2.4.x的网络接口结构

另外一些参考资料可以从这个页面找到：/elibrary/linux/network/（纽约州

立大学石溪分校的页面）

Linux内核网络协议栈采用了如下的层次结构：

内核中的五层分别是（从上到下）：

系统调用接口（详见Jones的另一篇文章：使用Linux系统调用的内核命令）

协议无关接口（BSD socket层）

网络协议（或者简称网络层。这是一个协议的集合，从链路层到传输层的协议都包括在内。不同的协议在/net文件夹下除core以外的子目录下，例如基于IP的协议簇都在/net/ipv4目录下，以太网协议在/net/ethernet目录下）

驱动无关接口（又称通用设备层--generic device layer/驱动接口层/设备操作层--device handling layer。属于网络协议栈最核心的部分，文件位于内核/net/core文件夹下，所以又叫网络核心层。其中包括了核心的数据结构skbuff文件中的sk_buff/dev.c文件中net_device，这些数据结构将在下篇文章中介绍）

设备驱动程序（在/driver/net文件夹内）

不像OSI或者TCP/IP协议栈，事实上并没有一个命名标准，因此在这里，这些层次的名称并不是通用的，但是其语义是清晰的，而且在大多数其他的文章里只是个别字上的差别。分层详细介绍可以参考Jones的文章。

Linux内核网络协议栈笔记2：初始化

参考文献《Understanding Linux Network Internals》中用了整整一章（part II）来介绍system initialization。本文只提供一个简单的概述，如果需要详细信息，还请看参考文献。

我们这里所说的初始化过程指的是从硬件加电启动，到可以从网络接收或发送数据包之前的过程。在Linux系统中，网卡拥有双重身份：struct pci_dev和struct net_device。pci_dev对象代表通用硬件的性质，是作为一个标准的PCI的设备插入了PCI的卡槽，由驱动程序进行管理；另一方面，net_device对象代表网络传输的性质，与内核的网络协议栈交互，进行数据传输。因此我们也必须通过两个方面来进行初始化，但是后者是我们的重点。而且我们并不关心内核与硬件的交互细节，例如寄存器读写与I/O映射等。

内核在初始化时，也会初始化一些与网络相关的数据结构；而且对应我们前面的日志所提及的内核网络协议栈层次结构（点这里），内核也需要一定的初始化工作来建立这种层次结构。

笔者认为初始化最重要的就是重要数据结构（通常用粗体标注）。因此也希望读者能够记住重要的数据结构的作用。

下面我们将分层，自底向上的分析整个初始化过程：

（一）驱动程序层

本文中以一个realtek 8139系列网卡作为例子，因为其驱动只有一个c文件（/drivers/net/8139too.c），比较容易分析。读者也可以参考e1000网卡的另一篇文章（点这里）。内核版本基于2.6.11。

驱动程序加载/注册主要包括以下的步骤：

（a）将设备驱动程序（pci_driver）添加到内核驱动程序链表中；

（b）调用每个驱动中的probe函数（其中重要一步就是初始化net_device对象）。

下面进行详细分解。

通常，在Linux中使用insmod命令加载一个驱动程序模块，例如8139too.o目标文件。加载之后，Linux会默认执行模块中的module_init(rtl8139_init_module)宏函数，其中的参数rtl8139_init_module是一个函数指针，指向在具体的驱动程序8139too.o中声明的rtl8139_init_module函数。这个函数定义如下：

static int __init rtl8139_init_module (void)

{ return pci_module_init (&rtl8139_pci_driver); }