TCP/IP协议栈源代码分析

一、inet_init是如何被调用的？从start_kernel到inet_init调用路径

• start_kernel 函数位于 init/main.c 文件中，是内核启动的入口函数。

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
    // ...
 
    // 调用 rest_init 函数
    rest_init();
 
    // ...
}

• rest_init 函数位于 kernel/init/main.c 文件中，完成一些初始化工作，并通过 kernel_thread 函数创建一个新的内核线程。

static void __init rest_init(void)
{
    // ...
 
    // 创建一个新的内核线程，并指定其执行函数为 kernel_init
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
 
    // ...
}

• kernel_init 函数位于 init/main.c 文件中，是内核初始化的第一个阶段。

static int __init kernel_init(void *unused)
{
    // ...
 
    // 调用 do_basic_setup 函数
    do_basic_setup();
 
    // ...
 
    // 调用 do_initcalls 函数执行内核初始化的第二个阶段
    do_initcalls();
 
    // ...
}

• do_basic_setup 函数位于 init/main.c 文件中，完成一些基本的系统初始化工作，并调用 do_initcalls 函数执行内核初始化的第二个阶段。

static void __init do_basic_setup(void)
{
    // ...
 
    // 调用 do_initcalls 函数执行内核初始化的第二个阶段
    do_initcalls();
 
    // ...
}

• do_initcalls 函数位于 init/main.c 文件中，会调用 do_one_initcall 函数多次，以执行一系列的初始化函数。

static void __init do_initcalls(void)
{
    // ...
 
    // 调用 do_one_initcall 函数，执行一系列的初始化函数
    do_one_initcall(inet_init);
 
    // ...
}

• inet_init 函数位于 net/ipv4/af_inet.c 文件中，是网络子系统中 IPv4 协议族的初始化函数。它执行了一些与 IPv4 相关的初始化工作。

static int __init inet_init(void)
{
    // ...
 
    // 执行 IPv4 相关的初始化工作
 
    // ...
 
    return 0;
}

因此，start_kernel -> rest_init -> kernel_init -> do_basic_setup -> do_initcalls -> do_one_initcall -> inet_init 是 inet_init 函数从 start_kernel 到 inet_init 的调用路径。

二、跟踪分析TCP/IP协议栈如何将自己与上层套接口与下层数据链路层关联起来的？

在 Linux 内核中，TCP/IP 协议栈通过网络套接口（socket）与上层应用程序和下层数据链路层进行关联。

• 上层套接口与协议关联（以 TCP 为例）：

// 创建套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 
// 绑定套接字到本地地址和端口
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(1234);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
 
// 监听连接请求
listen(sockfd, SOMAXCONN);

socket 系统调用创建了一个 TCP 套接字，并返回相应的文件描述符。bind 系统调用将套接字绑定到本地地址和端口。之后，通过 listen 系统调用开始监听连接请求。

• 数据传输和处理：

// 接受连接请求
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addrlen = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addrlen);
 
// 发送和接收数据
char buffer[1024];
ssize_t num_bytes = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
send(connfd, buffer, num_bytes, 0);

accept 系统调用接受连接请求，并返回一个新的文件描述符 connfd，用于与客户端进行通信。通过 recv 和 send 系统调用，可以在套接字之间传输数据。

• 下层数据链路层处理

// 发送数据帧
struct ethhdr eth_header;
struct iphdr ip_header;
struct tcphdr tcp_header;
// 构建以太网头部、IP 头部和 TCP 头部
 
struct sk_buff *skb = alloc_skb(total_len, GFP_KERNEL);
// 分配 sk_buff 结构体
 
// 将数据帧封装到 skb
memcpy(skb_put(skb, sizeof(eth_header)), &eth_header, sizeof(eth_header));
memcpy(skb_put(skb, sizeof(ip_header)), &ip_header, sizeof(ip_header));
memcpy(skb_put(skb, sizeof(tcp_header)), &tcp_header, sizeof(tcp_header));
 
// 发送 skb
dev_queue_xmit(skb);

在上述示例中，通过构建以太网头部、IP 头部和 TCP 头部，将数据帧封装到一个 sk_buff 结构体中。然后，使用 dev_queue_xmit 函数将 skb 发送到网络设备队列中，以便进一步处理和发送到物理链路。

三、TCP的三次握手源代码跟踪分析，跟踪找出设置和发送SYN/ACK的位置，以及状态转换的位置

• 设置和发送 SYN/ACK 的位置：

在 TCP 的三次握手过程中，服务器端（被动打开方）负责设置和发送 SYN/ACK 报文。

// 文件：net/ipv4/tcp_ipv4.c
// 函数：tcp_v4_rcv
// 位置：约在 3500 行附近
 
// 处理接收到的 SYN 报文段
static void tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
    // ...
 
    // 检查报文段是否是 SYN 报文
    if (th->syn) {
        // ...
 
        // 创建一个新的连接请求
        struct tcp_sock *newtp = tcp_create_openreq_child(sk, skb);
        if (newtp) {
            // 设置新连接请求的状态和序列号等参数
            tcp_init_sock(newtp, req->rsk_listener);
 
            // 设置 SYN/ACK 报文的标志
            tcp_initialize_rcv_mss(newtp);
            tcp_synack_rtt_meas(newtp, req);
 
            // 构建 SYN/ACK 报文
            tcp_send_synack(newtp, req);
 
            // 发送 SYN/ACK 报文
            tcp_event_data_recv(newtp, skb);
 
            // ...
        }
    }
 
    // ...
}

在上述代码中，tcp_v4_rcv 函数用于处理接收到的 TCP 报文。当接收到的报文段的 SYN 标志被设置时，表示这是一个连接请求的 SYN 报文。在这种情况下，内核会根据接收到的报文创建一个新的连接请求，并通过调用 tcp_send_synack 函数设置并发送 SYN/ACK 报文。

• 状态转换的位置：

在 TCP 的三次握手过程中，涉及到多个状态的转换，其中包括 SYN_SENT、SYN_RECV、ESTABLISHED 等。

// 文件：net/ipv4/tcp_ipv4.c
// 函数：tcp_v4_syn_recv_sock
// 位置：约在 3600 行附近
 
// 创建 SYN_RECV 状态的套接字
static struct sock *tcp_v4_syn_recv_sock(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
                                         struct request_sock *req,
                                         struct dst_entry *dst)
{
    // ...
 
    // 创建 SYN_RECV 状态的套接字
    newsk = tcp_create_openreq_child(sk, skb);
    if (newsk) {
        // 设置套接字的状态为 SYN_RECV
        newtp = tcp_sk(newsk);
        newtp->rx_opt.tstamp_ok = sysctl_tcp_timestamps;
        newtp->advmss = tcp_mtu_to_mss(newtp, dst_mtu(dst));
 
        // ...
 
        // 触发状态转换
        inet_csk(sk)->icsk_accept_queue.rskq_defer_accept = 1;
        inet_csk(newsk)->icsk_ulp_data = req->ulp_info;
 
        // ...
    }
 
    // ...
 
    return newsk;
}

在上述代码中，tcp_v4_syn_recv_sock函数用于创建 SYN_RECV 状态的套接字。在创建套接字后，通过设置套接字的状态和其他相关参数来触发状态转换。这里使用了 inet_csk(sk)->icsk_accept_queue.rskq_defer_accept 标志来延迟接受连接，从而将套接字状态从 SYN_SENT 转换为 SYN_RECV。

四、send在TCP/IP协议栈中的执行路径

send 函数用于将数据发送到 TCP/IP 协议栈中的 TCP 套接字

• 用户层调用 send 函数：

// 文件：net/socket.c
// 函数：sock_sendmsg
// 位置：约在 3500 行附近
 
ssize_t sock_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t len)
{
    // ...
 
    // 调用协议族的 sendmsg 函数
    ssize_t ret = sock->ops->sendmsg(sock, msg, len);
 
    // ...
 
    return ret;
}

sock_sendmsg 函数是用户层调用 send 函数的入口。它将调用协议族的 sendmsg 函数来处理数据的发送。

• 调用 TCP 协议族的 sendmsg 函数：

// 文件：net/ipv4/tcp.c
// 函数：tcp_sendmsg
// 位置：约在 8000 行附近
 
ssize_t tcp_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size)
{
    // ...
 
    // 将用户层的数据复制到发送缓冲区
    ret = memcpy_from_msg(data, msg, size);
 
    // ...
 
    // 调用核心的发送函数
    ret = tcp_sendmsg_locked(sk, msg, size);
 
    // ...
 
    return ret;
}

tcp_sendmsg 函数被调用来处理 TCP 协议族的数据发送。它首先将用户层的数据复制到发送缓冲区，然后调用核心的发送函数 tcp_sendmsg_locked 进行实际的发送操作。

• 核心的发送函数 tcp_sendmsg_locked：

// 文件：net/ipv4/tcp_output.c
// 函数：tcp_sendmsg_locked
// 位置：约在 1200 行附近
 
ssize_t tcp_sendmsg_locked(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
    // ...
 
    // 创建发送的 sk_buff
    skb = sock_alloc_send_skb(sk, size, msg->msg_flags & MSG_DONTWAIT, &err);
    if (!skb) {
        // 处理内存不足的情况
        goto failure;
    }
 
    // ...
 
    // 将用户层的数据复制到 sk_buff
    ret = memcpy_from_msg(skb_put(skb, size), msg, size);
 
    // ...
 
    // 调用 TCP/IP 协议栈的数据发送函数
    ret = tcp_transmit_skb(sk, skb, msg->msg_flags);
 
    // ...
 
    return ret;
}

tcp_sendmsg_locked 函数首先通过调用 sock_alloc_send_skb 函数创建一个发送的 sk_buff 结构体，然后将用户层的数据复制到 sk_buff 中。最后，它调用 TCP/IP 协议栈的数据发送函数 tcp_transmit_skb 来实际发送数据。

五、recv在TCP/IP协议栈中的执行路径

recv 函数用于从 TCP/IP 协议栈中的 TCP 套接字接收数据。

• 用户层调用 recv 函数

// 文件：net/socket.c
// 函数：sock_recvmsg
// 位置：约在 4000 行附近
 
ssize_t sock_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size,
                     int flags)
{
    // ...
 
    // 调用协议族的 recvmsg 函数
    ssize_t ret = sock->ops->recvmsg(sock, msg, size, flags);
 
    // ...
 
    return ret;
}

sock_recvmsg 函数是用户层调用 recv 函数的入口。它将调用协议族的 recvmsg 函数来处理数据的接收。

调用 TCP 协议族的 recvmsg 函数：

// 文件：net/ipv4/tcp.c
// 函数：tcp_recvmsg
// 位置：约在 10000 行附近
 
ssize_t tcp_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size,
                    int flags)
{
    // ...
 
    // 调用核心的接收函数
    ret = tcp_recvmsg_locked(sk, msg, size, flags);
 
    // ...
 
    return ret;
}

tcp_recvmsg 函数被调用来处理 TCP 协议族的数据接收。它调用核心的接收函数 tcp_recvmsg_locked 进行实际的接收操作。

• 核心的接收函数 tcp_recvmsg_locked：

/ 文件：net/ipv4/tcp.c
// 函数：tcp_recvmsg_locked
// 位置：约在 9800 行附近
 
ssize_t tcp_recvmsg_locked(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size,
                           int flags)
{
    // ...
 
    // 从套接字接收数据
    copied = tcp_read_sock(sk, msg, size, flags);
 
    // ...
 
    return copied;
}

tcp_recvmsg_locked 函数通过调用 tcp_read_sock 函数从套接字接收数据。

• 调用 tcp_read_sock 函数：

// 文件：net/ipv4/tcp.c
// 函数：tcp_read_sock
// 位置：约在 9100 行附近
 
static int tcp_read_sock(struct sock *sk, struct msghdr *msg, int len,
                         int nonblock)
{
    // ...
 
    // 从接收缓冲区读取数据
    copied = skb_copy_datagram_msg(skb, 0, msg, len);
 
    // ...
 
    return copied;
}

tcp_read_sock 函数通过调用 skb_copy_datagram_msg 函数从接收缓冲区读取数据，并将数据复制到 msg 结构体中。

六、路由表的结构和初始化过程

在 Linux 内核中，路由表用于确定将网络数据包从源地址传输到目标地址的路径。

• 路由表的结构：

// 文件：include/net/route.h
// 位置：约在 200 行附近
 
struct rtable {
    // ...
 
    struct net_device *dst.dev;      // 目标设备
    __be32             rt_dst;       // 目标 IP 地址
    __be32             rt_gateway;   // 网关 IP 地址
    unsigned int       rt_pmtu;      // 最大传输单元
    // ...
 
    struct fib_nh_common nhc;
    // ...
};

rtable 结构体表示路由表的一条路由项。其中包含了目标设备、目标 IP 地址、网关 IP 地址、最大传输单元等信息。

• 路由表的初始化过程：

// 文件：net/ipv4/route.c
// 函数：ip_route_input_noref
// 位置：约在 1000 行附近
 
struct rtable *ip_route_input_noref(struct net *net, __be32 daddr,
                                    __be32 saddr, u8 tos, struct net_device *dev)
{
    struct rtable *rt;
 
    // ...
 
    // 查找匹配的路由项
    rt = __ip_route_output_key(net, daddr, saddr, tos, dev);
    if (IS_ERR(rt)) {
        // 处理无法找到匹配路由项的情况
        return NULL;
    }
 
    // ...
 
    return rt;
}

在上述代码中，ip_route_input_noref 函数用于在输入路径上查找匹配的路由项。它调用 __ip_route_output_key 函数来查找路由表中与目标 IP 地址最匹配的路由项。

• 查找路由项的具体实现：

// 文件：net/ipv4/route.c
// 函数：__ip_route_output_key
// 位置：约在 2000 行附近
 
struct rtable *__ip_route_output_key(struct net *net, __be32 daddr,
                                     __be32 saddr, u8 tos, struct net_device *dev)
{
    struct rtable *rt;
 
    // ...
 
    // 遍历路由缓存进行查找
    rt = ip_route_cache_lookup(net, daddr, saddr, tos, dev);
    if (rt) {
        // 找到匹配的路由项
        return rt;
    }
 
    // ...
 
    // 如果缓存中没有找到匹配项，则调用路由查找函数
    rt = ip_route_output_key_hash(net, daddr, saddr, tos, dev, 0, 0);
 
    // ...
 
    return rt;
}

在上述代码中，__ip_route_output_key 函数首先尝试从路由缓存中查找匹配的路由项。如果路由缓存中没有找到匹配项，则调用 ip_route_output_key_hash 函数进行实际的路由查找。

七、通过目的IP查询路由表的到下一跳的IP地址的过程

通过目的 IP 查询路由表获取下一跳 IP 地址的过程，可以通过以下步骤完成：

1. 获取目的 IP 地址。

2. 遍历路由表的条目，逐个比较目的 IP 地址与路由表中的目标地址。

3. 对于每个路由表条目，检查是否匹配目的 IP 地址。匹配通常涉及子网掩码和最长前缀匹配。

4. 如果匹配成功，获取路由表条目中的下一跳 IP 地址。

// 文件：net/ipv4/route.c
// 函数：ip_route_output_key_hash
// 位置：约在 2400 行附近
 
struct rtable *ip_route_output_key_hash(struct net *net, __be32 daddr,
                                         __be32 saddr, u8 tos,
                                         struct net_device *dev,
                                         int oif, int hash)
{
    // ...
 
    struct fib_result res;
 
    // 查询路由表
    fib_lookup(net, &fl, &res);
 
    // 检查是否匹配目的 IP 地址
    if (!res.fi) {
        // 没有匹配的路由项
        return NULL;
    }
 
    // 获取下一跳 IP 地址
    if (res.type == RTN_UNICAST) {
        // 单播路由
        struct fib_nh *nh = fib_info_nh(res.fi, res.table);
        next_hop = nh->nh_gw;
    } else {
        // 非单播路由，如多播、广播等
        // 处理方法根据需要进行调整
        // ...
    }
 
    // ...
 
    return rt;
}

在上述代码中，ip_route_output_key_hash 函数调用了 fib_lookup 函数查询路由表，并根据查询结果判断是否匹配到目的 IP 地址。如果匹配成功，根据路由类型获取下一跳 IP 地址。

八、ARP缓存的数据结构及初始化过程，包括ARP缓存的初始化

ARP（Address Resolution Protocol）缓存用于存储IP地址与MAC地址之间的映射关系，以便在网络通信中进行地址解析。下面是一个简化的示例源代码，展示了ARP缓存的数据结构及初始化过程。

• ARP缓存的数据结构：

// 文件：include/net/arp.h
// 位置：约在 100 行附近
 
struct neighbour {
    // ...
 
    struct hh_cache hh;
    // ...
 
    u8 nud_state;
    // ...
 
    u8 ha[HARDWARE_ADDRESS_LEN];  // MAC地址
    // ...
 
    __be32 primary_key;  // IP地址
    // ...
 
    struct timer_list timer;
    // ...
};

在上述代码中，neighbour 结构体表示ARP缓存的一项。其中包含了MAC地址、IP地址等信息。

• ARP缓存的初始化过程：

// 文件：net/ipv4/arp.c
// 函数：arp_init
// 位置：约在 200 行附近
 
void arp_init(void)
{
    // ...
 
    // 创建ARP缓存
    arp_tbl = neigh_table_init(&arp_tbl_parm);
    if (!arp_tbl) {
        printk(KERN_INFO "ARP: Failed to allocate memory for ARP table\n");
        return;
    }
 
    // ...
 
    return;
}

在上述代码中，arp_init 函数用于初始化ARP缓存。它调用 neigh_table_init 函数创建ARP缓存，并将参数传递给该函数进行初始化。

九、如何将IP地址解析出对应的MAC地址

在Linux内核中，将IP地址解析为对应的MAC地址主要通过ARP（Address Resolution Protocol）实现。大致的执行过程如下：

• 用户空间调用套接字API发送一个IP数据包。

相关函数：sendto()、connect()等。

相关文件：net/socket.c、net/ipv4/raw.c等。

• 数据包到达网络层，内核检查目标IP地址是否在本地ARP缓存中，ARP缓存中存储了IP地址和对应的MAC地址。

相关数据结构：struct neighbour、struct neighbour_table等。

相关函数：neigh_lookup()等。

相关文件：net/core/neighbour.c、include/net/neighbour.h等。

• 如果目标IP地址不在本地ARP缓存中，内核创建并发送一个ARP请求消息。

相关函数：arp_create()、arp_send()等。

相关文件：net/ipv4/arp.c等。

• ARP请求消息封装到数据链路层帧中，通过网络接口发送出去。

相关函数：neigh_xmit()等。

相关文件：net/core/neighbour.c、net/ipv4/devinet.c等。

• 目标主机收到ARP请求帧后，根据请求中的IP地址判断是否为自己的IP地址，并构建一个ARP响应消息发送回请求方。

相关函数：arp_rcv()等。

相关文件：net/ipv4/arp.c等。

• 请求方收到ARP响应帧，提取MAC地址并将其存储到本地ARP缓存中。

相关函数：neigh_update()等。

相关文件：net/core/neighbour.c、include/net/neighbour.h等。

• 请求方将数据包发送到目标MAC地址。

相关函数：dev_queue_xmit()等。

相关文件：net/core/dev.c等。

十、跟踪TCP send过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现

• send过程中的路由查询 

这件事情主要由 ip_route_output_flow 函数完成，调用链 为：ip_route_output_flow->__ip_route_output_key->ip_route_output_key_hash->ip_route_output_key_hash_rcu

ip_route_output_key_hash_rcu 是 Linux 内核中用于根据给定的散列键值进行路由查找和输出的函数。它是 IPv4 路由子系统的一部分，用于确定给定目标 IP 地址的下一跳。

struct rtable *ip_route_output_key_hash_rcu(struct net *net, struct flowi4 *fl4, struct fib_result *res, const struct sk_buff *skb)
{
// ...
    err = fib_lookup(net, fl4, res, 0);
// ...
make_route:
  rth = __mkroute_output(res, fl4, orig_oif, dev_out, flags);
// ...
}

fib_lookup 是 Linux 内核中用于进行 FIB（Forwarding Information Base，转发信息库）查找的函数之一。它用于根据给定的目标地址查找匹配的路由表项。

static inline int fib_lookup(struct net *net, const struct flowi4 *flp, struct fib_result *res, unsigned int flags)
{  struct fib_table *tb;
// ...
  tb = fib_get_table(net, RT_TABLE_MAIN);
  if (tb)
    err = fib_table_lookup(tb, flp, res, flags | FIB_LOOKUP_NOREF);
// ...
}

• ARP解析的最底层实现

__ipv4_neigh_lookup_noref 函数用于在本地 ARP 表中查找下一跳的 MAC 地址。该函数接收两个参数：dev 表示网络设备，dst 表示目标 IP 地址。它通过调用__neigh_lookup_noref 函数在 ARP 表中查找与目标 IP 地址匹配的邻居项（neighbour entry）。它接收邻居表 tbl、目标 IP 地址 pkey 和网络设备 dev 作为参数，返回一个指向邻居项结构体的指针。

若查找失败，则会调用 __neigh_create 函数。

void create_neigh_entry(struct net_device *dev, __be32 dst_ip, unsigned char *dst_mac)
{
    struct neighbour *neigh;
 
    // 创建邻居项
    neigh = __neigh_create(&arp_tbl, &dst_ip, dev, false);
    if (!neigh) {
        // 邻居项创建失败，处理错误情况
        return;
    }
 
    // 设置邻居项的 MAC 地址
    memcpy(neigh->ha, dst_mac, ETH_ALEN);
 
    // 将邻居项添加到邻居表
    neigh_add(neigh, false);
}

它接收网络设备 dev、目标 IP 地址 dst_ip 和目标 MAC 地址 dst_mac 作为参数。函数首先调用 __neigh_create 函数创建一个新的邻居项，并指定邻居表 arp_tbl、目标 IP 地址和网络设备。然后，它将目标 MAC 地址拷贝到邻居项的 ha 字段中，并通过调用 neigh_add 函数将邻居项添加到邻居表中。

在 __neigh_create 之后，会调用 neigh_output 发送网络包。neigh_output调用neigh_resolve_output。neigh_resolve_output 函数是用于发送网络包的关键函数之一，它用于解析目标 IP 地址的邻居项，并将网络包发送到相应的邻居。

neigh_resolve_output 函数的主要作用是将网络包发送给指定的邻居。它通常会执行以下步骤：

1. 验证邻居项的状态：检查邻居项的状态，例如是否是有效的、是否已解析等。如果邻居项状态不满足发送条件，可能需要进行邻居探测或其他操作来解析邻居项。

2. 设置网络包的目标 MAC 地址：从邻居项中获取目标 MAC 地址，并将其设置为网络包的目标 MAC 地址，以便正确路由和传递给下一跳。

3. 发送网络包：将网络包发送到网络设备的发送队列，以便进行实际的数据传输。发送过程可能涉及网络设备驱动程序的调用，通过底层的网络协议栈将数据封装成数据帧并发送出去。

int neigh_resolve_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb) {
    if (neigh->nud_state != NUD_VALID) {
        // 邻居项状态不满足发送条件，可能需要进行邻居探测或其他操作
        // ...
    }
 
    // 设置网络包的目标 MAC 地址
    skb->mac_dest = neigh->ha;
 
    // 发送网络包
    int ret = dev_queue_xmit(skb);
 
    return ret;
}