Linux-网桥原理分析（三）
2012-07-18 23:04
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5网桥数据结构
网桥最主要有三个数据结构：struct net_bridge，struct net_bridge_port，struct net_bridge_fdb_entry，他们之间的关系如下图：
展开来如下图：
说明：
1. 其中最左边的net_device是一个代表网桥的虚拟设备结构，它关联了一个net_bridge结构，这是网桥设备所特有的数据结构。
2. 在net_bridge结构中，port_list成员下挂一个链表，链表中的每一个节点（net_bridge_port结构）关联到一个真实的网口设 备的net_device。网口设备也通过其br_port指针做反向的关联（那么显然，一个网口最多只能同时被绑定到一个网桥）。
3. net_bridge结构中还维护了一个hash表，是用来处理地址学习的。当网桥准备转发一个报文时，以报文的目的Mac地址为key，如果可以在 hash表中索引到一个net_bridge_fdb_entry结构，通过这个结构能找到一个网口设备的net_device，于是报文就应该从这个网 口转发出去；否则，报文将从所有网口转发。
各个结构体具体内容如下：
struct net_bridge
struct net_bridge
{
spinlock_t lock; //读写锁
//网桥所有端口的链表,其中每个元素都是一个net_bridge_port结构
struct list_head port_list;
struct net_device *dev; //网桥对应的设备
struct net_device_stats statistics; //网桥对应的虚拟网卡的统计数据
spinlock_t hash_lock; //hash表的锁
/*--CAM: 保存forwarding database的一个hash链表(这个也就是地址学习的东东,
所以通过hash能 快速定位),这里每个元素都是一个net_bridge_fsb_entry结构--*/
struct hlist_head hash[BR_HASH_SIZE];
struct list_head age_list;
/* STP */ //与stp 协议对应的数据
bridge_id designated_root;
bridge_id bridge_id;
u32 root_path_cost;
unsigned long max_age;
unsigned long hello_time;
unsigned long forward_delay;
unsigned long bridge_max_age;
unsigned long ageing_time;
unsigned long bridge_hello_time;
unsigned long bridge_forward_delay;
u16 root_port;
unsigned char stp_enabled;
unsigned char topology_change;
unsigned char topology_change_detected;
//stp要用的一些定时器列表。
struct timer_list hello_timer;
struct timer_list tcn_timer;
struct timer_list topology_change_timer;
struct timer_list gc_timer;
struct kobject ifobj;
} |
struct net_bridge_port
{
struct net_bridge *br; //从属于的网桥设备
struct net_device *dev;//表示链接到这个端口的物理设备
struct list_head list;
/* STP */ //stp相关的一些参数。
u8 priority;
u8 state;
u16 port_no; //本端口在网桥中的编号
unsigned char topology_change_ack;
unsigned char config_pending;
port_id port_id;
port_id designated_port;
bridge_id designated_root;
bridge_id designated_bridge;
u32 path_cost;
u32 designated_cost;
//端口定时器，也就是stp控制超时的一些定时器列表
struct timer_list forward_delay_timer;
struct timer_list hold_timer;
struct timer_list message_age_timer;
struct kobject kobj;
struct rcu_head rcu;
} |
struct net_bridge_fdb_entry
{
struct hlist_node hlist;
//桥的端口(最主要的两个域就是这个域和下面的mac地址域)
struct net_bridge_port *dst;
struct rcu_head rcu; //当使用RCU策略，才用到
atomic_t use_count; //引用计数
unsigned long ageing_timer; //MAC超时时间
mac_addr addr; //mac地址。
unsigned char is_local; //是否为本机的MAC地址
unsigned char is_static; //是否为静态MAC地址
} |
6 网桥数据库的维护
这里所说的网桥数据库指的是CAM表，即struct net_bridge结构中的hash表，数据库的维护对应的是对结构struct net_bridge_fdb_entry的操作；众所周知，网桥需要维护一个MAC地址-端口映射表，端口是指网桥自身提供的端口，而MAC地址是指与端口相连的另一端的MAC地址。当网桥收到一个报文时，先获取它的源MAC，更新数据库，然后读取该报文的目标MAC地址，查找该数据库，如果找到，根据找到条目的端口进行转发；否则会把数据包向除入口端口以外的所有端口转发。
6.1 数据库的创建和销毁
数据库使用kmem_cache_create函数进行创建，使用kmem_cache_desctory进行销毁。路径：[/net/bridge/br_fdb.c]:void __init br_fdb_init(void)
{
br_fdb_cache = kmem_cache_create("bridge_fdb_cache",
sizeof(struct net_bridge_fdb_entry),
0,
SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL, NULL);
} |
6.2 数据库更新
当网桥收到一个数据包时，它会获取该数据的源MAC地址，然后对数据库进行更新。如果该MAC地址不在数库中，则创新一个数据项。如果存在，更新它的年龄。数据库使用hash表的结构方式，便于高效查询。下面是hash功能代码的分析：路径：[/net/bridge/br_fdb.c]
void br_fdb_update(struct net_bridge *br, struct net_bridge_port *source,
const unsigned char *addr)
{
/*--br_mac_hash函数是hash表中的hash函数，具体算法过程可参阅该函数代码;
br->hash就是数据库的hash表，每个hash值对应一个链表;
数据库的每项为net_bridge_fdb_entry结构--*/
struct hlist_head *head = &br->hash[br_mac_hash(addr)];
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
/* some users want to always flood. */
if (hold_time(br) == 0)
return;
rcu_read_lock();
fdb = fdb_find(head, addr);
/*--如果找到对应的fdb，更新fdb->dst，fdb->ageing_timer--*/
if (likely(fdb)) {
/* attempt to update an entry for a local interface */
if (unlikely(fdb->is_local)) {
if (net_ratelimit())
printk(KERN_WARNING "%s: received packet with "
" own address as source address\n",
source->dev->name);
} else {
/* fastpath: update of existing entry */
fdb->dst = source;
fdb->ageing_timer = jiffies;
}
} else { /*--没有找到，则新建一个fdb--*/
spin_lock_bh(&br->hash_lock);
if (!fdb_find(head, addr))
fdb_create(head, source, addr, 0);
/* else we lose race and someone else inserts
* it first, don't bother updating
*/
spin_unlock_bh(&br->hash_lock);
}
rcu_read_unlock();
} |
6.3 创建数据项
在更新函数里面已为某一MAC找到了它所属于的Hash链表，因此，创建函数只需要在该链上添加一个数据项即可。static struct net_bridge_fdb_entry *fdb_create(struct hlist_head *head,
struct net_bridge_port *source,
const unsigned char *addr,
int is_local)
{
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
/*--申请数据区--*/
fdb = kmem_cache_alloc(br_fdb_cache, GFP_ATOMIC);
if (fdb) {
memcpy(fdb->addr.addr, addr, ETH_ALEN);
atomic_set(&fdb->use_count, 1);
hlist_add_head_rcu(&fdb->hlist, head); /*--添加到链表--*/
fdb->dst = source;
fdb->is_local = is_local;
fdb->is_static = is_local;
fdb->ageing_timer = jiffies; //MAC年龄
}
return fdb;
} |
6.4 查找数据项
查找分两种：一种是数据项更新时候的查找，另一种是转发报文时候查找，两者区别是转发时查找需要判断MAC地址是否过期，即我们常说的MAC老化；更新时则不用判断；网桥更新一MAC地址时，不管该地址是否已经过期了，只需遍历该MAC地址对应的Hash链表，然后更新年龄，此时它肯定不过期了。
网桥要转发数据时，除了要找到该目标MAC的出口端口外，还要判断该记录是否过期了。
更新时查找：
static inline struct net_bridge_fdb_entry *fdb_find(struct hlist_head *head,
const unsigned char *addr)
{
struct hlist_node *h;
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
/*--遍历链表比较地址--*/
hlist_for_each_entry_rcu(fdb, h, head, hlist) {
if (!compare_ether_addr(fdb->addr.addr, addr))
return fdb;
}
return NULL;
} |
struct net_bridge_fdb_entry *__br_fdb_get(struct net_bridge *br,
const unsigned char *addr)
{
struct hlist_node *h;
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
/*--遍历链表比较地址--*/
hlist_for_each_entry_rcu(fdb, h, &br->hash[br_mac_hash(addr)], hlist) {
if (!compare_ether_addr(fdb->addr.addr, addr)) {
/*--判断是否过期--*/
if (unlikely(has_expired(br, fdb)))
break;
return fdb;
}
}
return NULL;
} |
/*--数据项的可保留时间根据拓扑结构是否改变来决定，
改变则为forward_delay，否则为ageing_time--*/
/* if topology_changing then use forward_delay (default 15 sec)
* otherwise keep longer (default 5 minutes)
*/
static __inline__ unsigned long hold_time(const struct net_bridge *br)
{
return br->topology_change ? br->forward_delay : br->ageing_time;
}
static __inline__ int has_expired(const struct net_bridge *br,
const struct net_bridge_fdb_entry *fdb)
{
/*--1. 如果该数据项是静态的，即不是学习过来的，它永远不会过期。
因为它就是网桥自己端口的地址
2. 如果最近更新时间加上可保留时间大于当前时间，即老化时间还在以后，
表示尚未过期，time_before_eq返回真，否则返回假
--*/
return !fdb->is_static
&& time_before_eq(fdb->ageing_timer + hold_time(br), jiffies);
} |
6.5 MAC地址过期清理
桥建立时设置一个定时器，循环检测，如果发现有过期的MAC，则清除对应的数据项，MAC地址过期清除由函数br_fdb_cleanup实现：/*--定时器循环检查MAC地址是否过期
定时器在桥初始化中定义开启--*/
void br_fdb_cleanup(unsigned long _data)
{
struct net_bridge *br = (struct net_bridge *)_data;
unsigned long delay = hold_time(br);/*--获取MAC地址可保留时间--*/
int i;
spin_lock_bh(&br->hash_lock);
for (i = 0; i < BR_HASH_SIZE; i++) {
struct net_bridge_fdb_entry *f;
struct hlist_node *h, *n;
/*--如果该地址不是静态的，并且已经过期，则从数据库中清除该MAC映射--*/
hlist_for_each_entry_safe(f, h, n, &br->hash[i], hlist) {
if (!f->is_static &&
time_before_eq(f->ageing_timer + delay, jiffies))
fdb_delete(f);
}
}
spin_unlock_bh(&br->hash_lock);
/*--更新检查定时器--*/
mod_timer(&br->gc_timer, jiffies + HZ/10);
} |
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