Linux 内核网络协议栈 ------sk_buff 结构体 以及 完全解释
Linux 内核网络协议栈 ------sk_buff 结构体 以及 完全解释 （2.6.16）
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
struct sk_buff {
/* These two members must be first. */
struct sk_buff *next;
struct sk_buff *prev;
struct sock *sk;
struct skb_timeval tstamp;
struct net_device *dev;
struct net_device *input_dev;
union {
struct tcphdr *th;
struct udphdr *uh;
struct icmphdr *icmph;
struct igmphdr *igmph;
struct iphdr *ipiph;
struct ipv6hdr *ipv6h;
unsigned char *raw;
} h;
union {
struct iphdr *iph;
struct ipv6hdr *ipv6h;
struct arphdr *arph;
unsigned char *raw;
} nh;
union {
unsigned char *raw;
} mac;
struct dst_entry *dst;
struct sec_path *sp;
/*
* This is the control buffer. It is free to use for every
* layer. Please put your private variables there. If you
* want to keep them across layers you have to do a skb_clone()
* first. This is owned by whoever has the skb queued ATM.
*/
char cb[48];
unsigned int len,
data_len,
mac_len,
csum;
__u32 priority;
__u8 local_df:1,
cloned:1,
ip_summed:2,
nohdr:1,
nfctinfo:3;
__u8 pkt_type:3,
fclone:2,
ipvs_property:1;
__be16 protocol;
void (*destructor)(struct sk_buff *skb);
#ifdef CONFIG_NETFILTER
__u32 nfmark;
struct nf_conntrack *nfct;
#if defined(CONFIG_NF_CONNTRACK) || defined(CONFIG_NF_CONNTRACK_MODULE)
struct sk_buff *nfct_reasm;
#endif
#ifdef CONFIG_BRIDGE_NETFILTER
struct nf_bridge_info nf_bridge;
#endif
#endif / CONFIG_NETFILTER /
#ifdef CONFIG_NET_SCHED
__u16 tc_index; / traffic control index /
#ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
__u16 tc_verd; / traffic control verdict */
#endif
#endif
/* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details. */
unsigned int truesize;
atomic_t users;
unsigned char *head,
*data,
*tail,
*end;
};
: 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：
struct skb_shared_info {
atomic_t dataref; // 对象被引用次数
unsigned short nr_frags; // 分页段数目，即frags数组元素个数
unsigned short tso_size;
unsigned short tso_segs;
unsigned short ufo_size;
unsigned int ip6_frag_id;
struct sk_buff *frag_list; // 一般用于分段(还没有非常清楚的理解)
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)
};
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：
struct skb_frag_struct {
struct page *page; // 代表一页数据
__u16 page_offset; // 代表相对开始位置的页偏移量
__u16 size; // page中数据长度
};
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
static inline struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size,
gfp_t priority)
{
return __alloc_skb(size, priority, 0);
}
其实看__alloc_skb函数：
struct sk_buff *__alloc_skb(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
int fclone)
{
kmem_cache_t *cache;
struct skb_shared_info *shinfo;
struct sk_buff *skb;
u8 *data;
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
/* Get the HEAD */
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
if (!skb)
goto out;
/* Get the DATA. Size must match skb_add_mtu(). */
size = SKB_DATA_ALIGN(size); // 获得线性数据分片长度（注意对齐）
data = kmalloc(size + sizeof(struct skb_shared_info), gfp_mask); // 注意分配的是什么，是size + skb_shared_info！！！！！
if (!data)
goto nodata;
memset(skb, 0, offsetof(struct sk_buff, truesize)); // 初始化
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
atomic_set(&skb->users, 1);
skb->head = data; // 注意指针，这个结合上面的图一清二楚
skb->data = data;
skb->tail = data;
skb->end = data + size;
/* make sure we initialize shinfo sequentially */
shinfo = skb_shinfo(skb);
atomic_set(&shinfo->dataref, 1);
shinfo->nr_frags = 0;
shinfo->tso_size = 0;
shinfo->tso_segs = 0;
shinfo->ufo_size = 0;
shinfo->ip6_frag_id = 0;
shinfo->frag_list = NULL;
if (fclone) {
struct sk_buff *child = skb + 1;
atomic_t *fclone_ref = (atomic_t *) (child + 1);
skb->fclone = SKB_FCLONE_ORIG;
atomic_set(fclone_ref, 1);
child->fclone = SKB_FCLONE_UNAVAILABLE;
}
out:
return skb;
nodata:
kmem_cache_free(cache, skb);
skb = NULL;
goto out;
}
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
static inline void skb_reserve(struct sk_buff *skb, int len)
{
skb->data += len;
skb->tail += len;
}
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
static inline unsigned char *skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
unsigned char *tmp = skb->tail;
SKB_LINEAR_ASSERT(skb);
skb->tail += len; // 移动指针
skb->len += len; // 数据空间增大len
if (unlikely(skb->tail>skb->end)) // 如果tail指针超过end指针了，那么处理错误~
skb_over_panic(skb, len, current_text_addr());
return tmp;
}
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
static inline unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
skb->data -= len; // 向上移动指针
skb->len += len; // 数据长度增加
if (unlikely(skb->datahead)) // data指针超过head那么就是处理错误~
skb_under_panic(skb, len, current_text_addr());
return skb->data;
}
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！
static inline unsigned char *skb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
return unlikely(len > skb->len) ? NULL : __skb_pull(skb, len);
}
static inline unsigned char *__pskb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
if (len > skb_headlen(skb) &&
!__pskb_pull_tail(skb, len-skb_headlen(skb)))
return NULL;
skb->len -= len; // 长度减小
return skb->data += len; // 移动指针
}
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
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