Linux内核网络udp数据包发送（一）
本系列文章1-4，来源于陈莉君老师公众号“Linux内核之旅”
1. 前言
本文首先从宏观上概述了数据包发送的流程，接着分析了协议层注册进内核以及被socket的过程，最后介绍了通过 socket 发送网络数据的过程。
2. 数据包发送宏观视角
从宏观上看，一个数据包从用户程序到达硬件网卡的整个过程如下：
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使用系统调用（如 sendto
，sendmsg
等）写数据 -
数据穿过socket 子系统，进入socket 协议族（protocol family）系统
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协议族处理：数据穿过协议层，这一过程（在许多情况下）会将数据（data）转换成数据包（packet）
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数据穿过路由层，这会涉及路由缓存和 ARP 缓存的更新；如果目的 MAC 不在 ARP 缓存表中，将触发一次 ARP 广播来查找 MAC 地址
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穿过协议层，packet 到达设备无关层（device agnostic layer）
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使用 XPS（如果启用）或散列函数选择发送队列
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调用网卡驱动的发送函数
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数据传送到网卡的 qdisc
（queue discipline，排队规则） -
qdisc 会直接发送数据（如果可以），或者将其放到队列，下次触发NET_TX 类型软中断（softirq）的时候再发送
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数据从 qdisc 传送给驱动程序
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驱动程序创建所需的DMA 映射，以便网卡从 RAM 读取数据
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驱动向网卡发送信号，通知数据可以发送了
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网卡从 RAM 中获取数据并发送
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发送完成后，设备触发一个硬中断（IRQ），表示发送完成
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硬中断处理函数被唤醒执行。对许多设备来说，这会触发 NET_RX 类型的软中断，然后 NAPI poll 循环开始收包
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poll 函数会调用驱动程序的相应函数，解除 DMA 映射，释放数据
3. 协议层注册
协议层分析我们将关注 IP 和 UDP 层，其他协议层可参考这个过程。我们首先来看协议族是如何注册到内核，并被 socket 子系统使用的。
当用户程序像下面这样创建 UDP socket 时会发生什么？
sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)
简单来说，内核会去查找由 UDP 协议栈导出的一组函数（其中包括用于发送和接收网络数据的函数），并赋给 socket 的相应字段。准确理解这个过程需要查看 AF_INET
地址族的代码。
内核初始化的很早阶段就执行了 inet_init
函数，这个函数会注册 AF_INET
协议族 ，以及该协议族内的各协议栈（TCP，UDP，ICMP 和 RAW），并调用初始化函数使协议栈准备好处理网络数据。inet_init
定义在net/ipv4/af_inet.c 。
AF_INET
协议族导出一个包含 create
方法的 struct net_proto_family
类型实例。当从用户程序创建 socket 时，内核会调用此方法：
static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
.family = PF_INET,
.create = inet_create,
.owner = THIS_MODULE,
};
inet_create
根据传递的 socket 参数，在已注册的协议中查找对应的协议：
/* Look for the requested type/protocol pair. */
lookup_protocol:
err = -ESOCKTNOSUPPORT;
rcu_read_lock();
list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list) {
err = 0;
/* Check the non-wild match. */
if (protocol == answer->protocol) {
if (protocol != IPPROTO_IP)
break;
} else {
/* Check for the two wild cases. */
if (IPPROTO_IP == protocol) {
protocol = answer->protocol;
break;
}
if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
break;
}
err = -EPROTONOSUPPORT;
}
然后，将该协议的回调方法（集合）赋给这个新创建的 socket：
sock->ops = answer->ops;
可以在 af_inet.c
中看到所有协议的初始化参数。下面是TCP 和 UDP的初始化参数：
/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into
* the linked list inetsw.
*/
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
{
.type = SOCK_STREAM,
.protocol = IPPROTO_TCP,
.prot = &tcp_prot,
.ops = &inet_stream_ops,
.no_check = 0,
.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT |
INET_PROTOSW_ICSK,
},
{
.type = SOCK_DGRAM,
.protocol = IPPROTO_UDP,
.prot = &udp_prot,
.ops = &inet_dgram_ops,
.no_check = UDP_CSUM_DEFAULT,
.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT,
},
/* .... more protocols ... */
IPPROTO_UDP
协议类型有一个 ops
变量，包含很多信息，包括用于发送和接收数据的回调函数：
const struct proto_ops inet_dgram_ops = {
.family = PF_INET,
.owner = THIS_MODULE,
/* ... */
.sendmsg = inet_sendmsg,
.recvmsg = inet_recvmsg,
/* ... */
};
EXPORT_SYMBOL(inet_dgram_ops);
prot
字段指向一个协议相关的变量（的地址），对于 UDP 协议，其中包含了 UDP 相关的回调函数。UDP 协议对应的 prot
变量为 udp_prot
，定义在 net/ipv4/udp.c：
struct proto udp_prot = {
.name = "UDP",
.owner = THIS_MODULE,
/* ... */
.sendmsg = udp_sendmsg,
.recvmsg = udp_recvmsg,
/* ... */
};
EXPORT_SYMBOL(udp_prot);
现在，让我们转向发送 UDP 数据的用户程序，看看 udp_sendmsg
是如何在内核中被调用的。
4. 通过 socket 发送网络数据
用户程序想发送 UDP 网络数据，因此它使用 sendto
系统调用：
ret = sendto(socket, buffer, buflen, 0, &dest, sizeof(dest));
该系统调用穿过Linux 系统调用（system call）层，最后到达net/socket.c中的这个函数：
/*
* Send a datagram to a given address. We move the address into kernel
* space and check the user space data area is readable before invoking
* the protocol.
*/
SYSCALL_DEFINE6(sendto, int, fd, void __user *, buff, size_t, len,
unsigned int, flags, struct sockaddr __user *, addr,
int, addr_len)
{
/* ... code ... */
err = sock_sendmsg(sock, &msg, len);
/* ... code ... */
}
SYSCALL_DEFINE6
宏会展开成一堆宏，后者经过一波复杂操作创建出一个带 6 个参数的系统调用（因此叫 DEFINE6
）。作为结果之一，会看到内核中的所有系统调用都带 sys_
前缀。
sendto
代码会先将数据整理成底层可以处理的格式，然后调用 sock_sendmsg
。特别地， 它将传递给 sendto
的地址放到另一个变量（msg
）中：
iov.iov_base = buff;
iov.iov_len = len;
msg.msg_name = NULL;
msg.msg_iov = &iov;
msg.msg_iovlen = 1;
msg.msg_control = NULL;
msg.msg_controllen = 0;
msg.msg_namelen = 0;
if (addr) {
err = move_addr_to_kernel(addr, addr_len, &address);
if (err < 0)
goto out_put;
msg.msg_name = (struct sockaddr *)&address;
msg.msg_namelen = addr_len;
}
这段代码将用户程序传入到内核的（存放待发送数据的）地址，作为 msg_name
字段嵌入到 struct msghdr
类型变量中。这和用户程序直接调用 sendmsg
而不是 sendto
发送数据差不多，这之所以可行，是因为 sendto
和 sendmsg
底层都会调用 sock_sendmsg
。
4.1 sock_sendmsg
, __sock_sendmsg
, __sock_sendmsg_nosec
sock_sendmsg
做一些错误检查，然后调用__sock_sendmsg
；后者做一些自己的错误检查 ，然后调用__sock_sendmsg_nosec
。__sock_sendmsg_nosec
将数据传递到 socket 子系统的更深处：
static inline int __sock_sendmsg_nosec(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
struct msghdr *msg, size_t size)
{
struct sock_iocb *si = ....
/* other code ... */
return sock->ops->sendmsg(iocb, sock, msg, size);
}
通过前面介绍的 socket 创建过程，可以知道注册到这里的 sendmsg
方法就是 inet_sendmsg
。
4.2 inet_sendmsg
从名字可以猜到，这是 AF_INET
协议族提供的通用函数。此函数首先调用 sock_rps_record_flow
来记录最后一个处理该（数据所属的）flow 的 CPU; Receive Packet Steering 会用到这个信息。接下来，调用 socket 的协议类型（本例是 UDP）对应的 sendmsg
方法：
int inet_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
size_t size)
{
struct sock *sk = sock->sk;
sock_rps_record_flow(sk);
/* We may need to bind the socket. */
if (!inet_sk(sk)->inet_num && !sk->sk_prot->no_autobind && inet_autobind(sk))
return -EAGAIN;
return sk->sk_prot->sendmsg(iocb, sk, msg, size);
}
EXPORT_SYMBOL(inet_sendmsg);
本例是 UDP 协议，因此上面的 sk->sk_prot->sendmsg
指向的是之前看到的（通过 udp_prot
导出的）udp_sendmsg
函数。
sendmsg()函数作为分界点，处理逻辑从 AF_INET 协议族通用处理转移到具体的 UDP 协议的处理。
5. 总结
了解Linux内核网络数据包发送的详细过程，有助于我们进行网络监控和调优。本文只分析了协议层的注册和通过 socket 发送数据的过程，数据在传输层和网络层的详细发送过程将在下一篇文章中分析。
参考链接：
[1] https://blog.packagecloud.io/eng/2017/02/06/monitoring-tuning-linux-networking-stack-sending-data
