vlan linux内核数据流程

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一、前言

前几天做协议划分vlan的时候看了一些linux内核,了解不深,整理了下vlan相关部分的学习笔记,如果有理解上的错误,欢迎指正,以下代码来自于2.6.14-triny(PPC架构)。

VLAN(Virtual Local Area
Network)的中文名为"虚拟局域网"。VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段,从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案。

二、概述
   
看代码的时候发现linux网络内核基本就是按照分层模型来设计的,于是把内核的网络框架按照分层模型来理解:

物理层L1 
    对应网卡驱动模块(driver/net),主要负责从物理介质接受和发送数据。当然,在内核外还有switch,因此switch上的配置是凌驾于一切的,如果switch上没有设置vlan
tag属性,一切对vlan的修改都无从谈起。
链路层L2 
    对应网络核心接口模块(net/core/),与具体设备无关。core核心负责了大量接口之间的连接和调度,统一不同网卡的驱动程序与网络协议层的接口,而实际上很多L2层以太网头的打包剥离过程是在L1驱动层做的。

网络层L3,传输层L4 
    对应协议栈模块(net),负责对报文的层层解析,逐部剥离IP层,TCP/UDP层等等。其中ipv4的主要代码是net/ipv4/af_inet.c。

会话层L5 
    对应socket模块,与协议无关,是为用户提供网络服务的编程接口,提供了系列系统调用,主要文件是net/socket.c。

vlan模块工作在L2核心接口和L3协议栈之间,遵循802.1Q协议,是通过构造一个虚拟的网口来触发vlan功能的,主要文件在net/8021q下。

三、内核vlan实现方式
1.   
通过Vconfig配置一个虚拟的vlan设备,并进行基本的配置。
    vconfig add
eth0 y ;y为需要设置的vlan tag id.
    vconfig
set_flag eth0.y 1 1 ;设置一些vlan属性.

2.   
通过ifconfig接口为该虚拟设备配置ip,实际上就是修改路由表,让报文从该设备发送或者从该设备接收。
    Ifconfig
eth0.y 192.168.xx.xxx

3.   
OK了,接下来通过该eth0.y发送的报文均被打上了vlan tag y,接收到的报文均会被去除vlan tag。

下面分别通过分析8032环境下发送和接受的案例模型,理清各层间的架构关系。

四、发送流程

对于L5来说,一般的网络通讯,首先是建立一个socket结构,sockfd =
socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto)执行系统调用sys_socketcall(/net
/socket.c),接着sendto函数调用系统调用sys_sendto(/net/socket.c),处理完用户空间和内核空间的转换后,进入
L3。

L3层一方面包装好sk_buffer,一方面调用ip_route_output_flow路由表查询函数,找到net_device网卡设备,内核中的vlan模块就是注册了这样一个模拟的网络设备(eth0.y)。

对于L2来说,
L3协议栈通过dev_queue_xmit(dev.c)调用dev->hard_start_xmit(),关联到了具体的网络设备处理函数,从而调用了vlan_dev_hard_start_xmit(vlan_dev.c),在这里生成vlan
tag头,并压入sk_buffer中,然后找到真实的网络设备(real_dev),再次调用dev_queue_xmit,进入真实的网卡驱动L1层。

对于L1来说,hard_start_xmit就是fcc_enet.c的fcc_enet_start_xmit函数,将L2层送来的skb压入队列
中,修改寄存器,将报文发送出去。注意到这时候的skb已经是一个很完整的结构了,可以很容易对skb做各种判断和处理,此次的按协议划分vlan最后就
是在这里完成。虽然到现在也觉得在这里修改实在是太不优雅,太不易扩展了,但不得不承认,因为skb的完整,在这里修改的工作量是最小的,而且不需要对
linux内核网络框架有什么深入的了解就可以着手修改。

发送流程图

vlan linux内核数据流程

五、接收流程

对于L1来说,接收工作比发送复杂一些,在初始化时注册一个中断处理函数,request_irq(fip->fc_interrupt,
fcc_enet_interrupt, 0, "fenet", dev) <
0) 
当收到一个新的报文,会触发一个软中端SIU_INT_FCC1,调用fcc_enet_interrupt函数,进而调用fcc_enet_rx进入接收处理。Rx函数先分配一个sk_buffer,将从寄存器取来的报文填入该buffer中。

接下来就是将buffer中的以太网头部剥离,目前8032的按协议划分vlan的接收部分就是在此完成,剥离以太网头部时发现proto为8021Q,则暴力修改以太网帧,剥离vlan层,重置以太网层的proto。

数据结构变动图

vlan linux内核数据流程

上面的流程图是内核中常用的去除某个报文头的方法,Sk_buff的总大小是不变的,只是针对指针位置将数据作了必要的位移,甚至连14bit的以太网头部的最后2bit协议类型都因为已经赋值了skb->proto而不做memmov。

之后就可以通过netif_rx进入协议栈了。netif_rx调用napi_schedule调度,挂接当前napi_struct到处理CPU的
napi_struct中,发送NET_RX_SOFTIRQ软中断,触发net_rx_action(/net/core/dev.c)。
(NET_RX_SOFTIRQ的注册在net_dev_init中)[code]open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ,
net_rx_action, NULL);[/code]
net_rx_action这里会历遍所有的softnet_data结构,执行其poll操作process_backlog(/net/core
/dev.c),调用netif_receive_skb(skb)来处理收到的skb数据,最后唤醒recvfrom调用。

内核中的vlan模块就是工作在协议栈里,通过注册dev_add_pack注册了8021Q的协议类
型,netif_receive_skb遍历所有的协议类型时发现了它,于是进入了vlan的接收函数
vlan_skb_recv(vlan_dev.c),这个函数里剥离vlan层,重置以太网层的proto,重新调用netif_rx进入真正的协议栈
处理流程,例如,L3是IP协议,则进入ip_rcv(/net/ipv4/ip_input.c)

对于L5来说,recvfrom系统调用sys_recvfrom在/net/socket.c中,通过prepare_to_wait_exclusive等待skb的到来,从而唤醒它。

接收流程图

vlan linux内核数据流程

协议栈模块其实是块大头,研究不深入,就简要概括了。

----------------------------------纠结的分割线--------------------------------

六、进一步(路由模块):

还有一个很重要的模块就是内核路由子系统,它应该是工作在L3层。发送报文时会在L3层打好IP头前,路由到具体的网络设备,然后才进入L2填充以太网头。

路由的工作是通过函数ip_route_input()(/net/ipv4/route.c)实现的,对于进来的包可能的路由有这些:

 
属于本地的数据(即是需要传递给TCP,UDP,IGMP这些上层协议的) ;
   
需要要转发的数据包(网关或者NAT服务器之类的);
    不可能路由的数据包(地址信息有误);

当路由发现是本地数据时,rth->u.dst.input =
ip_local_deliver,返回后就可以在skb->dst->input(skb)中进入ip_local_deliver,找到对应的interface设备。如我们的eht0.y
vlan虚拟设备,进入vlan处理流程。

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