Linux 内核网络协议栈 ------sk_buff 结构体 以及 完全解释 （2.6.16）

转自：http://blog.csdn.net/shanshanpt/article/details/21024465

在2.6.24之后这个结构体有了较大的变化，此处先说一说2.6.16版本的sk_buff，以及解释一些问题。

一、

先直观的看一下这个结构体~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~在下面解释每个字段的意义~~~~~~~~~~~

1. struct sk_buff {
2. /* These two members must be first. */
3. struct sk_buff          *next;
4. struct sk_buff          *prev;
5. struct sock             *sk;
6. struct skb_timeval      tstamp;
7. struct net_device       *dev;
8. struct net_device       *input_dev;
9. union {
10. struct tcphdr   *th;
11. struct udphdr   *uh;
12. struct icmphdr  *icmph;
13. struct igmphdr  *igmph;
14. struct iphdr    *ipiph;
15. struct ipv6hdr  *ipv6h;
16. unsigned char   *raw;
17. } h;
18. union {
19. struct iphdr    *iph;
20. struct ipv6hdr  *ipv6h;
21. struct arphdr   *arph;
22. unsigned char   *raw;
23. } nh;
24. union {
25. unsigned char   *raw;
26. } mac;
27. struct  dst_entry       *dst;
28. struct  sec_path        *sp;
29. /*
30. * This is the control buffer. It is free to use for every
31. * layer. Please put your private variables there. If you
32. * want to keep them across layers you have to do a skb_clone()
33. * first. This is owned by whoever has the skb queued ATM.
34. */
35. char                    cb[48];
36. unsigned int            len,
37. data_len,
38. mac_len,
39. csum;
40. __u32                   priority;
41. __u8                    local_df:1,
42. cloned:1,
43. ip_summed:2,
44. nohdr:1,
45. nfctinfo:3;
46. __u8                    pkt_type:3,
47. fclone:2,
48. ipvs_property:1;
49. __be16                  protocol;
50. void                    (*destructor)(struct sk_buff *skb);
51. #ifdef CONFIG_NETFILTER
52. __u32                   nfmark;
53. struct nf_conntrack     *nfct;
54. #if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK) || defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MODULE)
55. struct sk_buff          *nfct_reasm;
56. #endif
57. #ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER
58. struct nf_bridge_info   *nf_bridge;
59. #endif
60. #endif /* CONFIG_NETFILTER */
61. #ifdef CONFIG_NET_SCHED
62. __u16                   tc_index;       /* traffic control index */
63. #ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
64. __u16                   tc_verd;        /* traffic control verdict */
65. #endif
66. #endif
67. /* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details.  */
68. unsigned int            truesize;
69. atomic_t                users;
70. unsigned char           *head,
71. *data,
72. *tail,
73. *end;
74. };

> : next和prev，这两个域是用来连接相关的skb的(例如如果有分片，将这些分片连接在一起可以)

> : sk，指向报文所属的套接字指针

> : tstamp，记录接收或者传输报文的时间戳

> : dev和input_dev，记录接收或者发送的设备

>: union u，对于一个层次，例如tcp层，可能有很多不同的协议，他们的协议头不一样，那么这个联合体就是记录这些协议头的。

此处u就是代表传输层

> : union nh，代表网络层头

> : union mac，代表链路层头

> : dst，指向des_entry结构，记录了到达目的地的路由信息，以及其他的一些网络特征信息。

> : sp：安全路径，用于xfrm

> : cb[]，保存与协议相关的控制信息，每个协议可能独立使用这些信息。

> : 重要的字段 len 和 data_len：

len代: 表整个数据区域的长度！这里要提前解释几个定义，skb的组成是有sk_buff控制 + 线性数据 + 非线性数据

(skb_shared_info) 组成！

后面会具体解释是什么意思！在sk_buff这个里面没有实际的数据，这里仅仅是控制信息，数据是通过后面的data指针指向其他内

存块的！那个内存块中是线性数据和

非线性数据！那么len就是length(线性数据) + length(非线性数据)！！！

data_len: 指的是length(非线性数据)！！！那么可以知道：length(线性数据) =  skb->len - skb->data_len

> : mac_len，指的是mac头长度

> : csum，某时刻协议的校验和

> : priority，报文排队优先级，取决于ip中的tos域

> : local_df，允许在本地分配

> : cloned，保存当前的skb_buff是克隆的还是原始数据

> : ip_summed，是否计算ip校验和

> : nohdr，仅仅引用数据区域

> : pkt_type，报文类型，例如广播，多播，回环，本机，传出...

> : fclone，skb_buff克隆状态

> : ipvs_property，skb_buff是否属于ipvs

> : protocal，协议信息

> : nfmark，用于钩子之间通信

> : nfct_reasm，netfilter的跟踪连接重新组装指针

> : nf_bridge，保存桥接信息

> : tc_index: Traffic control index，tc_verd: traffic control verdict

> : truesize，该缓冲区分配的所有总的内存，包括：skb_buff + 所有数据大小

> : users，保存引用skb_buff的数量

> : 重要数据字段：head，data，tail，end！！！

head：指向分配给的线性数据内存首地址( 建立起一个观念：并不是分配这么多内存，就都能被使用作为数据存储，可能没这么多

数据也有可能！但是也不要认为分配这么多 就足够了，也不一定(非线性数据就是例子) )

data：指向保存数据内容的首地址！我们由head可以知道，head和data不一定就是指在同一个位置！！！

tail：指向数据的结尾！

end：指向分配的内存块的结尾！ ( 由上面我们知道数据结尾 != 分配的内存块的结尾 )

下面还会具体分析！！！！！！！！！！！

二、

我觉得需要先了解一些对于一个数据skb到底有什么，或者说由哪些元素组成！这就需要知道所谓的 “线性数据” 和 “非线性数据”。

基本的组成如下：

> : sk_buff ： 这是一个sk_buff的控制结构

> : 线性数据区域

> : 非线性数据区域( 由skb_shared_info结构体管理 )

那么下面通过一个图来看看这个skb结构到底是怎么样的！看（图一）

  （图一）

借助图一，我们先来分析两个重要字段：len和data_len！

之前说过len代表的是整个数据的长度，data_len代表的是非线性数据长度。我们由图一可以看到线性数据长度为l1，再看看非线性数据，其实就是看frags[]和frag_list

ok...那么我们可以知道非线性数据长度为( l2 + ... + ln ) + ( l(n+1) + ... + lm )

即：len = l1 + ( l2 + ... + ln ) + ( l(n+1) + ... + lm )

data_len = ( l2 + ... + ln ) + ( l(n+1) + ... + lm )

ok...

现在从分配内存开始解释这个图的由来：

我们使用skb_alloc给skb分配空间，那么刚刚分配结束返回时候，是什么样的情况呢？看下图（图二）：

  （图二）

刚刚开始初始化的时候，预分配一个一块线性数据区域，这个区域一般放入的是各个协议层次的不同的头，还有一些实际数据，下面的非线性区域是为了弥补当数据真的很多的时候，作为数据区域的扩展！关于skb_shared_info具体意思下面会继续说！注意在初始化的时候，head，data和tail都指向内存的开始位置，head在这个位置始终不变，它表示的是分配的内存的开始位置。end的位置也是不变的，表示的是分配的内存的结束位置。data和tail会随着数据的加入和减少变化，总之表示的是放入数据的内存区域(由图一)可知。

现在需要解释一下skb_shared_info这个结构体，这个结构体真的是很很有特色！主要是其中的两个字段frags和frag_list，下面继续解释：

1. struct skb_shared_info {
2. atomic_t        dataref;        // 对象被引用次数
3. unsigned short  nr_frags;       // 分页段数目，即frags数组元素个数
4. unsigned short  tso_size;
5. unsigned short  tso_segs;
6. unsigned short  ufo_size;
7. unsigned int    ip6_frag_id;
8. struct sk_buff  *frag_list;    // 一般用于分段(还没有非常清楚的理解)
9. skb_frag_t      frags[MAX_SKB_FRAGS]; // 保存分页数据(skb->data_len=所有的数组数据长度之和)
10. };

关于frags和frag_list没有必然的联系！

> : 对于frags[]一般用在，当数据真的很多，而且在线性数据区域装不下的时候，需要使用这个，skb_frag_t中是一页一页的数据，先看看结构体：

1. struct skb_frag_struct {
2. struct page *page;    // 代表一页数据
3. __u16 page_offset;    // 代表相对开始位置的页偏移量
4. __u16 size;           // page中数据长度
5. };

需要注意的是：只有在DMA支持物理分散页的Scatter/Gather（SG，分散/聚集）操作时候才可以使用frags[]来保存剩下的数据，否则，只能扩展线性数据区域进行保存！！！

这些页其实是其实就是虚拟页映射到物理页的结构，看下图(图三)：

  （图三）

> : 对于frag_list来说，一般我们在分片的时候里面装入每个片的信息，注意，每个片最终也都是被封装成一个小的skb，这个必须

的！

注意：具体怎么分片的看上一篇博文：数据分片 (  看其中的ip_fragment函数  )

那么看一下其基本结构如图四：

    （图四）

 

三、

最重要的是需要理解对于这个skb是怎么操作的，在操作的过程中，每一块的内存分配是怎么变化的，这才更重要！

看下面的函数们：

> : alloc_skb()函数

1. static inline struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size,
2. gfp_t priority)
3. {
4. return __alloc_skb(size, priority, 0);
5. }

其实看__alloc_skb函数：

1. struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
2. int fclone)
3. {
4. kmem_cache_t *cache;
5. struct skb_shared_info *shinfo;
6. struct sk_buff *skb;
7. u8 *data;
8. cache = fclone ? skbuff_fclone_cache : skbuff_head_cache;    // 根据克隆状态来判断在哪一个缓冲区进行分配cache
9. /* Get the HEAD */
10. skb = kmem_cache_alloc(cache, gfp_mask & ~__GFP_DMA);        // 得到skb，注意这里没有包含数据，仅仅是skb_buff这个结构体
11. if (!skb)
12. goto out;
13. /* Get the DATA. Size must match skb_add_mtu(). */
14. size = SKB_DATA_ALIGN(size);                                     // 获得线性数据分片长度（注意对齐）
15. data = kmalloc(size + sizeof(struct skb_shared_info), gfp_mask); // 注意分配的是什么，是size + skb_shared_info！！！！！
16. if (!data)
17. goto nodata;
18. memset(skb, 0, offsetof(struct sk_buff, truesize));          // 初始化
19. skb->truesize = size + sizeof(struct sk_buff);               // 实际大小等于sk_buff + size，刚刚开始还没有非线性数据
20. atomic_set(&skb->users, 1);
21. skb->head = data;                                            // 注意指针，这个结合上面的图一清二楚
22. skb->data = data;
23. skb->tail = data;
24. skb->end  = data + size;
25. /* make sure we initialize shinfo sequentially */
26. shinfo = skb_shinfo(skb);
27. atomic_set(&shinfo->dataref, 1);
28. shinfo->nr_frags  = 0;
29. shinfo->tso_size = 0;
30. shinfo->tso_segs = 0;
31. shinfo->ufo_size = 0;
32. shinfo->ip6_frag_id = 0;
33. shinfo->frag_list = NULL;
34. if (fclone) {
35. struct sk_buff *child = skb + 1;
36. atomic_t *fclone_ref = (atomic_t *) (child + 1);
37. skb->fclone = SKB_FCLONE_ORIG;
38. atomic_set(fclone_ref, 1);
39. child->fclone = SKB_FCLONE_UNAVAILABLE;
40. }
41. out:
42. return skb;
43. nodata:
44. kmem_cache_free(cache, skb);
45. skb = NULL;
46. goto out;
47. }

那么alloc之后的图就是(图五)：

   （图五）

其实和图二是一样的！我们可以看到，现在仅仅是分配了线束数据区域，但是现在还没有数据！一定要注意！所以前面三个指针指在一起！因为没有数据，那么len和data_len的值就是0 ！

> : skb_reserve函数

1. static inline void skb_reserve(struct sk_buff *skb, int len)
2. {
3. skb->data += len;
4. skb->tail += len;
5. }

代码其实很easy、就是移动两个指针而已~

这个函数很重要，是为“协议头”预留空间！而且是尽最大的空间预留，因为很多头都会有可选项，那么我们不知道可选项是多大，所以只能是按照最大的分配，那么也说明了一点，预留的空间headroom也就是不一定都能使用完的！可能还有剩余的，由上面的图也可以看出来！这也是为什么需要这么多指针的问题！那么这个函数直接导致head指针和tail、data指针分离，入下面图六所示：

    （图六）

注意headroom就是用来存储各个协议头的足够大的空间，tailroom就可以认为是存储其他线性数据的空间。( 这里不要曲解协议头不是线性数据，其实协议头也是！！！所以当增加头的时候，data指针向上移动，当增加其他数据的时候，tail指针向下移动 )。现在data和tail指向一起，那么还是说明数据没有！！！

> : skb_put函数 ----> 用于操作线性数据区域(tailroom区域)的用户数据

1. static inline unsigned char *skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
2. {
3. unsigned char *tmp = skb->tail;
4. SKB_LINEAR_ASSERT(skb);
5. skb->tail += len;                 // 移动指针
6. skb->len  += len;                 // 数据空间增大len
7. if (unlikely(skb->tail>skb->end)) // 如果tail指针超过end指针了，那么处理错误~
8. skb_over_panic(skb, len, current_text_addr());
9. return tmp;
10. }

这函数其实就是从tailroom预留空间，相当于是移动tail指针，这样如果从上图（图六）开始看，也就是tail开始向下移动，和data分离了。。。一般来说，这样做都是为了用户数据再次处理，或者说为TCP/IP的负载预留空间！

看图七，当使用skb_put时候，由图六---->图七

     （图七）

我们可以看到指针的移动data还是在headroom的下面，中间的是用户数据预留的部分，由skb_put得到，tail表示数据结尾！再看一下sk_buff中的len，变成了数据长度ld！！

> : skb_push函数：----------> 用于操作headroom区域的协议头

1. static inline unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
2. {
3. skb->data -= len;      // 向上移动指针
4. skb->len  += len;      // 数据长度增加
5. if (unlikely(skb->data<skb->head))  // data指针超过head那么就是处理错误~
6. skb_under_panic(skb, len, current_text_addr());
7. return skb->data;
8. }

和skb_put对应，上面试操作用户数据的，这里是操作协议头的！其实就是data指针向上移动而已~注意len增大了哦~前面说了协议头也是属于数据！

如下面图所示，由图七---->图八

   （图八）

我们可以知道，data向上移动了，同时注意len变成ld+lp了，其中lp是这个增加的协议头的长度！

> : skb_pull函数：-----------> 其实这个函数才是与skb_push函数对应的函数！因为这是去头函数，而skb_push是增头函数！所以这个函数一般用在解包的时候！

1. static inline unsigned char *skb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
2. {
3. return unlikely(len > skb->len) ? NULL : __skb_pull(skb, len);
4. }
5. static inline unsigned char *__pskb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
6. {
7. if (len > skb_headlen(skb) &&
8. !__pskb_pull_tail(skb, len-skb_headlen(skb)))
9. return NULL;
10. skb->len -= len;                              // 长度减小
11. return skb->data += len;                      // 移动指针
12. }

其实就是data指针向下移动，当前一个协议头被去掉，headroom剩余的空间增大了！看下图：

由图八---->图九：

 （图九）

虚线是data之前的指针位置，现在移动到下面实线！！需注意：len的长度减小，减小的大小是剥去的头的大小！！

四、

最后我们从两条线整体分析一下：

1：从应用层用户数据开始，直到物理层发送出去

> 初始化的什么就不多说了，和前面的差不多，现在也加入用户数据已经在了，如图七所示一样！那么到了TCP层，需要增加

TCP层的头：

如图10所示：

         （图10）

需要注意的是这里是传输层，那么传输层的结构u中的th代表的是tcp的头，那么tcp指向tcp头OK！同时注意 len长度+=l1 哦~~~

> 再看到了IP层：如图11

 （图11）

至于需要解释什么就没什么了，都是一样的~

> 到链路层了：如图12

  （图12）

OK！

2：第二个过程其实是第一个逆过程，都差不多，所以不多说了~

五、

最后看一下操作skb的两个函数pskb_copy和skb_copy

前者仅仅是将sk_buff的结构体和线性数据copy过来，对于非线性数据，是引用原始的skb的数据的！而后者是不仅将sk_buff和线性数据拷贝，同时将非线性数据也copy了一份，看下面就明白了！这就在效率上就差了很多！所以如果不想修改数据，那么还是使用pskb_copy更好！

对于pskb_copy：

对于skb_copy：

OK  我觉得差不多了~~~~~结束~~~~~~~~~~~~~