【kernel】从 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 参数看如何玩转 procfs 内核参数

本文的开篇，我们先从 sysctl 这个命令开始。

sysctl 使用

sysctl 是一个 Linux 系统工具，后台实际上是 syscall，它允许用户查看和动态修改内核参数。

# 查看当前设置的所有内核参数
sysctl -a
# 查看特定参数的值
sysctl net.ipv4.conf.all.forwarding
# 临时修改内核参数
sysctl net.ipv4.conf.all.forwarding=1
# 重新加载配置文件，默认是 /etc/sysctl.conf
sysctl -p

修改 sysctl 的三种方式：

1）sysctl 命令直接修改（重启后失效）

2）echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward （重启后失效）

3）vim /etc/sysctl.conf，手动加入，sysctl -p 重新加载（永久生效）

到这里，实际上可以给出一个结论：这几种方式，在原理上，都直接或间接更改了 Linux 中 /proc 文件系统下面的 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 文件。

那么，/proc 文件系统下的文件是如何影响到内核参数的？我们以 ip_forward 参数为例，来追踪一下。

ip_forward 参数

这个参数是内核 ip 报文转发开关。

这个参数有 2 个开关（ipv4 为例，ipv6 同理）：

1 - /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
2 - /proc/sys/net/ipv4/conf/=={all/default/enp8s0}==/forwarding

有几条规则：

1）/proc/sys/net/ipv4/ip_forward 等价于 /proc/sys/net/ipv4/conf/all/forwarding。

可以验证，设置 sysctl net.ipv4.conf.all.forwarding=1 后，查看这两个值：

2）实际真正控制网卡启用 ip 转发的，是网卡对应的 forwarding 参数：/proc/sys/net/ipv4/conf/enp8s0/forwarding。

3）对于新创建的网卡设备，会启用 default/forwarding 参数来配置：/proc/sys/net/ipv4/conf/default/forwarding。

4）conf/all/forwarding

可以配置当前所有设备，例如将 all 参数配置从 0 修改为 1，则包括 default 在内的所有 forwarding 配置都将被改成 1。要注意的是 all 配置只有在值被修改时才有效，重复写入 all 当前值不会对其他 forwarding 配置产生任何影响。

5）all/forwarding

配置只对当前 net namespace 生效，每个 netns 有自己的独立配置。

ipforward 参数如何影响 ip 转发？

关键内核函数在 ip_route_input_slow()。<以下内核版本为 4.18>

这个函数中，会根据当前网络设备 in_dev 的 forwarding 参数，来决定是继续转发，还是跳转到 ip_error。

内核通过一个宏定义 IN_DEV_FORWARD(in_dev) 来判断设备 in_dev 是否开启了转发属性。

这个宏定义在 include/linux/inetdevice.h 文件中，指向了一个 IN_DEV_CONF_GET() 宏。后者继续指向了一个 ipv4_devconf_get() 函数。

在同文件中，ipv4_devconf_get() 函数给出了以下定义：

实际上是获取了这个网络设备 in_dev 的 cnf 结构体成员的 data 数组。传入的 index 实际上是字符串 IPV4_DEVCONF_ 和 FORWARDING 的拼接。

我们来看一下这个 data 数组的结构：

在 include/uapi/linux/ip.h 中，定义了 ipv4_devconf 结构体的 data 变量 index：

最后，总结来看，内核是通过 IN_DEV_CONF_GET 宏来获取网卡设备的 forward 参数的。

pforward 参数如何被设置的

首先，我们都知道，/proc/sys 目录实际上是一个虚拟文件系统，里面保存了实时生效的内核参数。这个机制允许我们实时查看和修改内核的参数，从而影响系统的运行行为。

和 ipv4 网络相关的参数位于 /proc/sys/net/ipv4 目录下， 如下（5.10 内核）：

如何修改？上文已经说了，可以通过直接 echo，或者 sysctl 系统调用，亦或修改 /etc/sysctl.conf 配置文件，即可在不同的级别使他们生效。

/proc/sys/net/ipv4 目录下保存着很多全局变量，例如全局的 ip_forward。和具体网卡设备相关的变量保存在了其子目录 conf/ 下。

内核中的 ctl_table

其中，每一个目录代表当前系统的一个网络设备。当一个新的网络设备被注册或除名时，该目录下也会随之调整。

在内核中，/proc/sys/ 中的文件和目录都是以 ctl_table 结构定义的。下面是 devinet.c 文件中对于 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 这个变量的定义。

其中关键字段的含义为：

const char*   procname;    // 参数文件名
void*         data;        // 参数文件值
int           maxlen;      // 参数大小
mode_t        mode;        // 文件或目录权限
proc_handler* proc_handler // 处理读写请求的回调函数

具体解释为：当前文件名为“ip_forward”；参数值绑定为ipv4_devconf的data[0]的位置；644 代表root可读写，其他只读；最后，为这个参数文件绑定了一个读写回调函数 devinet_sysctl_forward。

目录定义的 ctl_table 和文件的不太一样，多了个 child 字段：

{
	.procname	= "dev",
	.mode		= 0555,
	.child		= dev_table,
}

/proc/sys/net/ipv4/ip_forward 如何被创建的？

上一节我们了解了，例如 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 文件，在内核中实际上是一个 ctl_table 结构。

ctl_table 的创建，在 fs/proc/proc_sysctl.c 文件的 __register_sysctl_table() 中完成。其函数注释如下：

/**
 * __register_sysctl_table - register a leaf sysctl table
 * @set: Sysctl tree to register on
 * @path: The path to the directory the sysctl table is in.
 * @table: the top-level table structure
 *
 * Register a sysctl table hierarchy. @table should be a filled in ctl_table
 * array. A completely 0 filled entry terminates the table.
 */
 
struct ctl_table_header *__register_sysctl_table(
    struct ctl_table_set *set,
    const char *path,
    struct ctl_table *table
) {...}

该函数的操作过程大体可以概述为：

• 寻找 ctl_table 合适的目录，
• 然后将其插入。

关于这个函数，本文不再赘述了，可以去相关文件中详细了解。下面我们来看 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 的创建过程。

网络设备初始化函数 devinet_init 执行时，将调用 register_pernet_subsys 函数，传入 devinet_ops 结构，并执行其 init 函数。devinet_ops 结构体绑定了 init 和 exit 两个函数，其 init 函数为 devinet_init_net。当他最终被调用执行时，会依次唤起 __devnet_sysctl_register() 和 register_net_sysctl() 分别创建 all/、default/ 以及 net/ipv4/ 三个目录。如下图。

实际上，__devnet_sysctl_register() 最终调用的也是 register_net_sysctl() 函数，完成 sysctl 目录的注册。

register_net_sysctl() 函数在 sysctl_net.c 文件中最终调用 __register_sysctl_table() 接口真正去注册一个 sysctl table 子项。

/proc/sys/net/ipv4/ip_forward 如何被读写？

我们再回到 ctl_table 的结构定义：

其中一个非常重要的函数 devinet_sysctl_forward() 就是 ctl_table 结构的读写回调函数。也就是说，当 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 文件被读或写时，会触发这个函数的调用。

我们来详细看一下这个函数的实现：

devinet_sysctl_forward() 接收几个参数，重要的，write表示当前操作：1 代表写，0 代表读；后面几个代表用户空间缓冲区，用于传递数据（buffer：缓冲区地址，lenp：缓冲区大小，ppos：文件偏移量）。

/proc/sys/net/ipv4/ip_forward 内核变量类型为一个整数，因此其默认的读写函数为 proc_dointvec()。类似的，字符串内核变量读写函数为 proc_dostring()，整数数组读写函数为 proc_dointvec_jiffies() 等等。这些函数的具体定义在 kernel/sysctl.c 中，如下：

在写入 ip_forward 变量时，不仅仅要调用 proc_dointvec() 来写入具体 proc 文件，还需要写入所有网卡设备 cnf 的 data 数组，我们在上文中给出了这部分的接口和介绍。

具体流程详见上面的伪代码，当写入 ip_forward 变量时，最终会遍历所有网卡设备，并调用 IN_DEV_CONF_SET() 宏执行写入操作。

总结：网卡设备配置参数

网卡设备的结构体 in_device 中有一个配置属性 ipv4_devconf，后者的结构中定义了一个 data[] 数组，里面存储了当前网卡的配置参数实际值。

内核中读写这个 data[] 数组，一般会用到 IN_DEV_CONF_GET() 和 IN_DEV_CONF_SET()。

如何在 proc/sys/net/ 中自定义一个参数文件？

我们来实战一下，从现在起，下文基于 kos5.8，kernel-5.10.134。

题目，通过编写一个内核模块，实现以下功能：

1）该模块加载时，在 /proc/sys/net/ 目录下创建一个文件 flag，卸载时该文件也随之移除。

2）flag 作为一个内核参数，其参数类型为 int，所有用户可对其读写。

3）当 flag 参数被写入时，向 messages 中打印一条日志。

代码样例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/sysctl.h>
#include <linux/proc_fs.h> 

static int flag = 0; // 用于存储 flag 的值 

// 自定义的 proc_handler 函数
static int flag_handler(struct ctl_table *table, int write, void __user *buffer, size_t *lenp, loff_t *ppos) {
	int ret;
	loff_t pos = *ppos; 

	// 使用 proc_dointvec 处理实际的读取/写入操作
	ret = proc_dointvec(table, write, buffer, lenp, ppos); 

	// 当执行写操作时
	if (write) {
		// 打印日志，指示写操作发生
		printk(KERN_INFO "Writing to /proc/sys/net/flag, new value: %s\n", (char *)buffer);
	} 

	return ret;
} 

// 定义 sysctl 的控制表
static struct ctl_table sysctl_table[] = {
	{
		.procname = "flag",           // 创建的 sysctl 路径
		.data = &flag,                // 要处理的内核变量
		.maxlen = sizeof(flag),       // 数据的最大长度
		.mode = 0666,                 // 权限设置
		.proc_handler = flag_handler, // 使用自定义的 proc_handler
	},
	{ } // 结束符
};

// 定义 sysctl 目录
static struct ctl_table_header *header; 

static int __init proc_flag_init(void) {
	printk(KERN_INFO "Initializing proc_flag_sysctl module...\n"); 

	// 使用 register_sysctl 创建 proc 文件
	header = register_sysctl("net", sysctl_table); 

	// 在 /proc/sys/net/ 目录下创建 flag 文件
	if (!header) {
		printk(KERN_ERR "Unable to register sysctl table\n");
		return -ENOMEM;
	} 

	printk(KERN_INFO "Proc file /proc/sys/net/flag created successfully\n");
	return 0;
} 

static void __exit proc_flag_exit(void) {
	// 卸载 sysctl 表
	unregister_sysctl_table(header);
	printk(KERN_INFO "Sysctl table for /proc/sys/net/flag removed\n");
} 

module_init(proc_flag_init);
module_exit(proc_flag_exit); 

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Hong");
MODULE_DESCRIPTION("A simple kernel module for flag using custom handler and sysctl");