第五章 传输层（tcp）到网络层（ip）--基于Linux3.10

根据数据的流向跟踪代码，由于数据发送是从tcp层到网络层再到网络到主机层，所以先来看tcp层向ip层发送数据的函数。

tcp的发送函数和接收函数一样位于net/ipv4/文件夹，文件名是tcp_output.c文件，传输层和网络层联系的函数是tcp_transmit_skb(...)：

在进入该函数时，先看该函数用到的一个重要的数据结构，其定义于net/dccp/ipv4.c文件，919行是发送时用到的函数。

918 static const struct inet_connection_sock_af_ops dccp_ipv4_af_ops = {
919     .queue_xmit    = ip_queue_xmit,
920     .send_check    = dccp_v4_send_check,
921     .rebuild_header    = inet_sk_rebuild_header,
922     .conn_request      = dccp_v4_conn_request,
923     .syn_recv_sock     = dccp_v4_request_recv_sock,
924     .net_header_len    = sizeof(struct iphdr),
925     .setsockopt    = ip_setsockopt,
926     .getsockopt    = ip_getsockopt,
927     .addr2sockaddr     = inet_csk_addr2sockaddr,
928     .sockaddr_len      = sizeof(struct sockaddr_in),
929     .bind_conflict     = inet_csk_bind_conflict,
934 };

919行的函数服务于ip层，也就是四层模型中的网络层，我们先看传输层的函数tcp_transmit_skb，该函数会建立IP层的头，并将该头传递给网络层。

net/ipv4/tcp_output.c
840 static int tcp_transmit_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int clone_it,
841                 gfp_t gfp_mask)
842 {
843     const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
844     struct inet_sock *inet;
845     struct tcp_sock *tp;
961     err = icsk->icsk_af_ops->queue_xmit(skb, &inet->cork.fl);
}

icsk_af_ops->queue_xmit的两个参数，structsk_buff *skb已经在第二章叙述过了，inet的原型是inet_sock是inet的套接字的代表。

struct inet_sock {
/* sk and pinet6 has to be the first two members of inet_sock */
struct sock  sk;   //祖先的类
/* Socket demultiplex comparisons on incoming packets. */
#define inet_daddr sk.__sk_common.skc_daddr //外部ipv4地址
#define inet_rcv_saddr sk.__sk_common.skc_rcv_saddr//绑定的本地ipv4地址
#define inet_addrpair sk.__sk_common.skc_addrpair
#define inet_dport sk.__sk_common.skc_dport//目的端口号
#define inet_num sk.__sk_common.skc_num//本地端口号
#define inet_portpair sk.__sk_common.skc_portpair
__be32  inet_saddr;
__s16 uc_ttl; //单播的TTL，time to live
__u16 cmsg_flags;
__be16  inet_sport;
__u16 inet_id;
struct ip_options_rcu __rcu
*inet_opt;
int rx_dst_ifindex;
__u8 tos;
__u8 min_ttl;
__u8 mc_ttl;
__u8 pmtudisc;
__u8 recverr:1,
is_icsk:1,
freebind:1,
hdrincl:1,
mc_loop:1,
transparent:1,
mc_all:1,
nodefrag:1;
__u8 rcv_tos;
int uc_index;
int mc_index;//多播设备索引
__be32  mc_addr;
struct ip_mc_socklist __rcu
*mc_list;
struct inet_cork_full
cork; //每个分片的ip packet构建ip头时用到的数据结构
};

ip_queue_xmit这个函数就是网络层的传输函数了；

326 int ip_queue_xmit(struct sk_buff *skb, struct flowi *fl)
327 {
328     struct sock *sk = skb->sk;
329     struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
360         rt = ip_route_output_ports(sock_net(sk), fl4, sk,  //获取输出信息的路由表，路由信息会填充到skb的dst字段去。
361                        daddr, inet->inet_saddr,
362                        inet->inet_dport,
363                        inet->inet_sport,
364                        sk->sk_protocol,
365                        RT_CONN_FLAGS(sk),
366                        sk->sk_bound_dev_if);
403     res = ip_local_out(skb);   //发送出去
412 }

第403行是发送packet的函数， res = ip_local_out(skb); //发送出去

static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
{
return skb_dst(skb)->output(skb);
}
int ip_local_out(struct sk_buff *skb)
{
err = __ip_local_out(skb);
if (likely(err == 1))
err = dst_output(skb);
}

由上面两个函数，真正调用的其实是rth->dst.output= ip_output指向的函数，该函数将主要工作放到ip_finish_output去完成，这和接收时的方法很类似，并且这里也有一个钩子函数。

298 int ip_output(struct sk_buff *skb)
299 {
300     struct net_device *dev = skb_dst(skb)->dev;
301
302     IP_UPD_PO_STATS(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_OUT, skb->len);
303
304     skb->dev = dev;
305     skb->protocol = htons(ETH_P_IP);
306
307     return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
308                 ip_finish_output,
309                 !(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));
310 }

ip_finish_output函数的定义如下，CONFIG_NETFILTER和CONFIG_XFRM都是和安全相关的机制。231行判断ip是否被分片了，通常以太网上的数据没有经过分片操作，如果分片了使用ip_fragment来处理，处理完了调用ip_finish_output2完成实质的发送工作。

222 static int ip_finish_output(struct sk_buff *skb)
223 {
224 #if defined(CONFIG_NETFILTER) && defined(CONFIG_XFRM)
225     /* Policy lookup after SNAT yielded a new policy */
226     if (skb_dst(skb)->xfrm != NULL) {
227         IPCB(skb)->flags |= IPSKB_REROUTED;
228         return dst_output(skb);
229     }
230 #endif
231     if (skb->len > ip_skb_dst_mtu(skb) && !skb_is_gso(skb))
232         return ip_fragment(skb, ip_finish_output2);
233     else
234         return ip_finish_output2(skb);
235 }

ip_finish_output2对packet的头进行处理，然后根据路由表寻找下一跳地址，这里还涉及一层邻居协议，这个没有路由那么庞大。

166 static inline int ip_finish_output2(struct sk_buff *skb)
167 {
196     nexthop = (__force u32) rt_nexthop(rt, ip_hdr(skb)->daddr);
197     neigh = __ipv4_neigh_lookup_noref(dev, nexthop);
198     if (unlikely(!neigh))
199         neigh = __neigh_create(&arp_tbl, &nexthop, dev, false);
200     if (!IS_ERR(neigh)) {
201         int res = dst_neigh_output(dst, neigh, skb);
212 }

neigh是structneighbour类型的结构体，这个数据邻居协议的范畴。197是邻居协议查找合适的网卡设备，198行如果找不到则执行199行的函数创建一个，在获得邻居项之后执行201行的函数。该函数位于include/net/dst.h，该函数未定义于ipv4的目录下，这也意味着数据将传递到主机到网络层了。

393 static inline int dst_neigh_output(struct dst_entry *dst, struct neighbour *n,
394                    struct sk_buff *skb)
395 {
396     const struct hh_cache *hh;
397
398     if (dst->pending_confirm) {
399         unsigned long now = jiffies;
400
401         dst->pending_confirm = 0;
402         /* avoid dirtying neighbour */
403         if (n->confirmed != now)
404             n->confirmed = now;
405     }
406
407     hh = &n->hh;
408     if ((n->nud_state & NUD_CONNECTED) && hh->hh_len)
409         return neigh_hh_output(hh, skb);  //支持硬件缓存头方法的发送
410     else
411         return n->output(n, skb);  //不支持硬件缓存头的方法的发送。
412 }

第411行调用的是neigh_resolve_output，该函数是通过路由表查到的，不论硬件支不支持硬件头缓存，neigh_resolve_output都会被调用到，它来源如下：

static const struct neigh_ops arp_generic_ops = {
.family =  AF_INET,
.solicit =  arp_solicit,
.error_report =arp_error_report,
.output =  neigh_resolve_output,
.connected_output =
neigh_connected_output,
};
//有硬件头缓存的函数操作集
static const struct neigh_ops arp_hh_ops = {
.family =  AF_INET,
.solicit =  arp_solicit,
.error_report =arp_error_report,
.output =  neigh_resolve_output,
.connected_output =neigh_resolve_output,
};

获得上述output函数的过程就是路由的过程，还是来看看neigh_resolve_output，它定义于net/core/neighbour.c文件。这时真正的离开了IP层，该函数的1310会调用之一文章讲述的函数将数据实际的发送出去。

1286 int neigh_resolve_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
1287 {
1288     struct dst_entry *dst = skb_dst(skb);
1289     int rc = 0;
1290
1291     if (!dst)
1292         goto discard;
1293
1294     if (!neigh_event_send(neigh, skb)) {
1295         int err;
1296         struct net_device *dev = neigh->dev;
1297         unsigned int seq;
1298
1299         if (dev->header_ops->cache && !neigh->hh.hh_len)
1300             neigh_hh_init(neigh, dst);
1301
1302         do {
1303             __skb_pull(skb, skb_network_offset(skb));
1304             seq = read_seqbegin(&neigh->ha_lock);
1305             err = dev_hard_header(skb, dev, ntohs(skb->protocol),
1306                           neigh->ha, NULL, skb->len);
1307         } while (read_seqretry(&neigh->ha_lock, seq));
1308
1309         if (err >= 0)
1310             rc = dev_queue_xmit(skb);

1313     }
}

最后还是看一张图来回顾tcp/ip发送数据的流程。



图5.1 网络层函数调用流程