Linux sk_buff四大指針與相關操作

在以上文章中，沒有分析過Linux內(nèi)核網(wǎng)絡關鍵的數(shù)據(jù)結構-套接字數(shù)據(jù)緩存struct sk_buff,本文將第一次分享到sk_buff，但鑒于其在內(nèi)核網(wǎng)絡中一些復雜情況，本次只簡單介紹sk_buff內(nèi)存空間布局情況與相關操作。

套接字數(shù)據(jù)緩存(socket buffer)在Linux內(nèi)核中表示為：struct sk_buff，是Linux內(nèi)核中數(shù)據(jù)包管理的基本單元，主要包含兩個部分，其一：管理數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)包的管理信息;其二：報文數(shù)據(jù)，保存了實際網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在內(nèi)核協(xié)議棧起承上啟下的作用，也有很多值得關注的sk_buff操作。

1、sk_buff四大指針與相關操作

分配初始化：

struct sk_buff中四個指針都指向數(shù)據(jù)區(qū)，分別是head、data、tail、end,剛剛分配出來的sk_buff會立馬進行四大指針的初始操作。分配sk_buff如下所示:

sk_stream_alloc_skb最終調(diào)用__alloc_skb函數(shù)進行內(nèi)存分配，分配skb后，進行四大指針的初始化操作：

其中skb_reset_tail_pointer(skb)：

最終四大指針初始化為以下圖所示：

此時head、data、tail三個指針指向一起，end指向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的尾部。預留協(xié)議頭空間：在sk_stream_alloc_skb調(diào)用__alloc_skb函數(shù)進行內(nèi)存分配后，下一步就會預留協(xié)議頭空間，使得head、tail、data指針分離：

skb_reserve如下，

操作后skb_buff的指針如下所示：

skb_reserve作用就是預留空間，而且是盡最大的空間預留，但它并沒有把數(shù)據(jù)放到該空間，只是簡單更新指針，預留空間!

因為很多頭都會有可選項，那么不知道頭部可選項是多大，所以只能按照最大的分配，同時也要明白一點，預留的空間headroom不一定使用完，可能還有剩余。當我們要增加協(xié)議頭信息的時候，data指針向上移動，當增加數(shù)據(jù)的時候tail指針向下移動，完成數(shù)據(jù)包的封裝。此時還沒有數(shù)據(jù)，data和tail指向相同。

操作tailroom中用戶數(shù)據(jù)塊區(qū)域：skb_put用于修改指向數(shù)據(jù)區(qū)末尾的指針tail：

可以看到tail指針的移動是擴大數(shù)據(jù)區(qū)域，即數(shù)據(jù)區(qū)向下擴大len字節(jié)，并更新數(shù)據(jù)區(qū)長度len。

增加headroom區(qū)域的協(xié)議頭：skb_push函數(shù)用于移動data指針，增加頭部協(xié)議，與skb_reserve()類似，也并沒有真正向數(shù)據(jù)緩存區(qū)中添加數(shù)據(jù)，而只是移動數(shù)據(jù)緩存區(qū)的頭指針data。數(shù)據(jù)由其他函數(shù)復制到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。函數(shù)如下：

如下兩張圖分別是由傳輸層、網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)包向下傳遞時data指針移動，進行頭部協(xié)議的封裝。

TCP層添加TCP首部。

SKB傳遞到IP層，IP層為數(shù)據(jù)包添加IP首部。

SKB傳遞到鏈路層，鏈路層為數(shù)據(jù)包添加鏈路層首部。

可以看到在數(shù)據(jù)包封裝的過程中，每一層移動data指針進行數(shù)據(jù)報頭的封裝。

數(shù)據(jù)報文解封裝，解除協(xié)議頭：skb_pull通過將data指針向下移動，進行數(shù)據(jù)報文的解封裝，函數(shù)如下所示：

如下圖所示，在收包流程上，向上層協(xié)議，如下網(wǎng)絡層向傳輸層傳送的時候，調(diào)用skb_pull進行數(shù)據(jù)包的解封裝。

以上就是struct sk_buff的四大指針的相關操作,通過分析可得：

head指向緩沖區(qū)的首地址，作為上邊界

end指向緩沖區(qū)的尾地址，作為下邊界

data指針在數(shù)據(jù)包頭部封裝和解封裝的過程中移動，指向各層的協(xié)議頭，skb_push函數(shù)將data的指向，向低地址移動(向上)，完成協(xié)議頭空間的占據(jù)，skb_pull函數(shù)將data的指向，向高地址移動(向下)，完成協(xié)議頭的解封裝。

tail指針在增加應用層用戶緩沖數(shù)據(jù)時移動，skb_put函數(shù)將該指針向高地址移動(向上)，完成用戶數(shù)據(jù)空間的占據(jù)。

2、非線性區(qū)域

在1、中，可以看到每張sk_buff的圖：在end指針緊挨著一個非線性區(qū)域;

在struct sk_buff中沒有指向skb_shared_info結構的指針，利用end指針，可以用skb_shinfo宏來訪問：

其中skb_end_pointer函數(shù)如下，返回end指針

其中skb_frag_t如下：

nr_frags，frags，frag_list與IP分片存儲有關。

frag_list的用法：

用于在接收分組后鏈接多個分片，組成一個完整的IP數(shù)據(jù)報

在UDP數(shù)據(jù)報輸出中，將待分片的SKB鏈接到第一個SKB中，然后在輸出過程中能夠快速的分片

用于存放FRAGLIST類型的聚合分散I/O數(shù)據(jù)包

判斷是否存在非線性緩沖區(qū)：

先說明struct sk_buff中關于長度的兩個字段

len字段：無分片的報文，數(shù)據(jù)報文的大小

data_len字段：存在分散報文，data_len表示分片的部分大小

如下所示，沒有開啟分片的報文len = x,data_len = 0:

如下所示在Linux內(nèi)核中，使用skb_is_nonlinear函數(shù)判斷是否存在分片，即通過判斷data_len的大小是否為0：

在沒有開啟分片的報文中，數(shù)據(jù)包長度在struct sk_buff中為len字段的大小，即data到tail的長度，nf_frags為0，frag_list為NULL。

普通聚合分散I/O的報文：

采用聚合分散I/O的報文，

frag_list為 NULL,nf_frags不等于0，說明這不是一個普通的分片，而是聚合分散I/O的報文。如下所示：nr_frags為2，而frag_list為NULL，說明這不是普通的分片，而是聚合分散I/O分片，數(shù)量為2，這兩個分片指向同一物理分頁，各自在分頁中的偏移和長度分別是0/S1和S1/S2。

FRAGLIST類型的分散聚合I/O的報文：

采用FRAGLIST類型的分散聚合I/O報文，frag_list不為NULL,nf_frags等于0,數(shù)據(jù)長度len為x+S1,data_len為S1。

以上從struct sk_buff的四大指針以及操作、非線性區(qū)域?qū)μ捉幼志彺?socket buffer)進行分析，更多sk_buff的分析、實操等將在以后的文章中梳理。