Linux2.6协议栈源代码解析（解密版）.pdf

发布时间：2022-06-07 发布人：admin 分类：说明书资料大小：5.25M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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图目录

表目录

前言

感谢

协议栈概述

操作系统及网络协议介绍

Linux操作系统架构简介

网络协议发展介绍

本书的组织和安排

基本的数据结构和计算机术语

图片风格演示

本书的组织

系统初始化

系统初始化流程简介

内核文件解读

ELF文件格式

Link Scripts知识

Linux内核镜像研究

中断及任务调度管理

中断及软中断模型

中断系统和软中断

设备驱动挂接ISR

各种语境下的切换

内核下的同步与互斥

中断相关的锁

spin_lock/spin_inlock

down/up信号

RCU读写锁

各种异步手段

Timer（定时器函数）

work queue（工作队列）

通知链

虚拟文件系统

网络协议栈各部分初始化

网络基础系统初始化

网络内存管理

sk_buff结构

内存管理函数

网络文件系统初始化

网络协议初始化

初步了解路由系统

Linux设备管理

底层PCI模块的初始化

网络设备接口初始化例程

配置系统

配置过程分析

配置是如何下达到内核的？

socket系统调用

ioctl代码的实现

配置设备IP地址的内核处理过程

netlink和rtnetlink接口

Loopback接口的配置过程

IP别名的实现

回顾FIB系统初始化

深入FIB系统

FIB系统发生了什么样的变化

直接访问路由表

接口状态变化的处理过程

网络层实现的初步研究

从Ping 127.0.0.1开始旅程

再次相遇Socket系统调用

IP数据报文格式

send系统调用

在路由系统中游历

查找出口

当目的地址是远端主机时

创建对应路由cache表项

创建对应邻居表项

回到发送的路径

IP层发送过程

揭密hh_cache

ARP的作用

ARP的机制

ARP报文格式

Linux ARP协议的实现

协议初始化

开始ARP状态机

到达设备驱动层

数据链路层帧格式

Loopback设备的发送过程

从中断到路由系统

ICMP

ICMP报文格式

ping本机地址及回环地址

ping外部地址

从内核到用户

传输层实现的研究

进一步到UDP

UDP用户代码

UDP数据报文格式

服务器端bind的实现

接收代码

释放UDP的socket

更高阶的TCP

TCP用户代码

TCP数据报文格式

TCP栈及socket的初始化

服务器端bind和listen的实现

服务器端accept的实现

客户端connect的实现——发起三次握手

TCP报文的接收

3次握手的实现

内核收到报文转到用户态

释放TCP的socket

TCP拥塞控制

TCP拥塞控制机制介绍

Linux内核拥塞控制功能的实现

Select的实现机制

用户如何使用select？

Select的内核实现

2层功能

基本的2层知识

Linux桥实现的基本框架

VLAN

VLAN概念

Linux下VLAN——存在巨大的缺陷

LACP协议

LACP简介

LACP在Linux中的实现

后记

参考文献

W.Richard Stevens，UNIX网络编程卷1 连网的API：套接字与XTI，清华大学出版社，1998.7.

Christian Benvenuti，Understanding Linux Network Internals，2006.5

Gray R.Wright和W.Richard Stevens TCP/IP Illustrated Volume2: The Implementation

Linux2.6 协议栈源代码分析基于 Linux 2.6.18 内核源码 V0.1 luoyu 第 i 页电子邮

Linux2.6 协议栈源代码分析目录第2章系统初始化目录图目录表目录前言感谢第1章协议栈概述 1.2 本书的组织和安排 1.1 操作系统及网络协议介绍 2.1 系统初始化流程简介 2.2 内核文件解读 1.1.1 Linux操作系统架构简介 1.1.2 网络协议发展介绍 2.2.1 ELF文件格式 2.2.2 Link Scripts知识 2.2.3 Linux内核镜像研究 1.2.1 基本的数据结构和计算机术语 1.2.2 图片风格演示 1.2.3 本书的组织 ....................................................................................................................................... ii .......................................................................................................................................... iv ........................................................................................................................................ viii .................................................................................................................................... xiii .................................................................................................................................... xiv ...................................................................................................................... 1 ................................................................................................ 1 .......................................................................................... 1 .................................................................................................. 2 .......................................................................................................... 4 ................................................................................ 5 .......................................................................................................... 6 ............................................................................................................. 7 ...................................................................................................................... 9 ....................................................................................................... 9 ................................................................................................................ 13 ........................................................................................................ 13 ................................................................................................... 15 ............................................................................................... 16 ..................................................................................................... 23 ................................................................................................ 23 ................................................................................................ 32 ............................................................................................. 33 ........................................................................................................ 35 ................................................................................................................ 37 .............................................................................................. 39 ............................................................................................. 40 ........................................................................................................ 40 ............................................................................................. 48 .................................................................................................... 50 ................................................................................................ 58 .............................................................................................................. 58 .......................................................................................... 60 ...................................................................................... 63 ....................................................................................................................... 73 2.3.1 中断及软中断模型 2.3.2 各种语境下的切换 2.3.3 内核下的同步与互斥 2.3.4 各种异步手段 2.4 虚拟文件系统 2.5 网络协议栈各部分初始化 2.5.1 网络基础系统初始化 2.5.2 网络内存管理 2.5.3 网络文件系统初始化 2.5.4 网络协议初始化 2.5.5 初步了解路由系统 2.6.1 底层PCI模块的初始化 2.6.2 网络设备接口初始化例程 2.3 中断及任务调度管理 Linux设备管理 2.6 第3章配置系统第 ii 页

Linux2.6 协议栈源代码分析第4章网络层实现的初步研究 4.1 从Ping 127.0.0.1 开始旅程 4.2 再次相遇Socket系统调用 4.3 4.4 4.5 在路由系统中游历 IP数据报文格式 send系统调用 3.1 配置过程分析 3.1.1 配置是如何下达到内核的？ 3.1.2 socket系统调用 3.1.3 ioctl代码的实现 3.1.4 Loopback接口的配置过程 3.1.5 IP别名的实现 3.2 回顾FIB系统初始化 3.3 深入FIB系统 3.4 FIB系统发生了什么样的变化 3.5 直接访问路由表 3.6 接口状态变化的处理过程 ................................................................................................................ 73 .................................................................................. 73 .................................................................................................... 74 ..................................................................................................... 81 .................................................................................... 90 ........................................................................................................ 92 ...................................................................................................... 96 ................................................................................................................. 99 ...................................................................................... 108 .......................................................................................................... 122 ............................................................................................ 124 ................................................................................................ 127 ......................................................................................... 127 ........................................................................................... 129 .......................................................................................................... 129 ............................................................................................................. 130 ...................................................................................................... 135 ............................................................................................................. 135 .................................................................................... 146 ..................................................................................... 147 .............................................................................................. 151 .......................................................................................................... 156 ................................................................................................................. 165 ......................................................................................................... 166 ...................................................................................................... 166 ........................................................................................ 167 .......................................................................................................... 180 .............................................................................................. 180 .................................................................................. 183 ...................................................................................................... 184 ........................................................................................................................... 198 .................................................................................................... 199 .................................................................................... 200 ...................................................................................................... 202 .............................................................................................................. 207 ....................................................................................................... 211 .............................................................................................................. 211 ...................................................................................................... 211 .............................................................................................. 212 4.5.1 查找出口 4.5.2 当目的地址是远端主机时 4.5.3 创建对应路由cache表项 4.5.4 创建对应邻居表项 4.6 回到发送的路径 4.7 ARP的作用 4.7.1 ARP的机制 4.7.2 ARP报文格式 4.7.3 Linux ARP协议的实现 4.8 到达设备驱动层 4.8.1 数据链路层帧格式 4.8.2 Loopback设备的发送过程 4.9 从中断到路由系统 4.10 ICMP 4.10.1 ICMP报文格式 4.10.2 ping本机地址及回环地址 4.10.3 ping外部地址 4.11 从内核到用户第5章传输层实现的研究 5.1 进一步到UDP 5.1.1 UDP用户代码 5.1.2 UDP数据报文格式第 iii 页

5.2 更高阶的TCP Linux2.6 协议栈源代码分析 5.1.3 服务器端bind的实现 5.1.4 接收代码 5.1.5 释放UDP的socket 5.2.1 TCP用户代码 5.2.2 TCP数据报文格式 5.2.3 TCP栈及socket的初始化 5.2.4 服务器端bind和listen的实现 5.2.5 服务器端accept的实现 5.2.6 客户端connect的实现——发起三次握手 5.2.7 TCP报文的接收 5.2.8 3 次握手的实现 5.2.9 内核收到报文转到用户态 5.2.10 释放TCP的socket ........................................................................................... 212 ............................................................................................................. 217 .............................................................................................. 219 .............................................................................................................. 221 ...................................................................................................... 221 .............................................................................................. 222 .................................................................................... 223 ............................................................................... 225 ....................................................................................... 230 ............................................................ 232 .................................................................................................. 240 ................................................................................................... 245 .................................................................................... 247 ............................................................................................... 252 .............................................................................................................. 256 ....................................................................................... 257 ........................................................................... 259 ....................................................................................................... 261 ......................................................................................... 262 ............................................................................................... 263 ....................................................................................................................... 268 .......................................................................................................... 268 .............................................................................................. 268 .......................................................................................................................... 269 ........................................................................................................... 269 ..................................................................... 270 ................................................................................................................... 276 ........................................................................................................... 276 ....................................................................................... 278 ................................................................................................................................... 284 ................................................................................................................................... 285 7.3.1 VLAN概念 7.3.2 Linux下VLAN——存在巨大的缺陷 5.3.1 TCP拥塞控制机制介绍 5.3.2 Linux内核拥塞控制功能的实现 7.4.1 LACP简介 7.4.2 LACP在Linux中的实现 6.1.1 用户如何使用select？ 6.1.2 Select的内核实现 Linux桥实现的基本框架 LACP协议 5.3 TCP拥塞控制第6章 Select的实现机制第7章 2层功能 7.1 基本的 2 层知识 7.2 7.3 VLAN 7.4 后记参考文献图目录图表 1-1 操作系统架构图图表 1-2 IP为什么重要 ................................................................................................................ 2 ..................................................................................................................... 3 第 iv 页

Linux2.6 协议栈源代码分析图表 1-3 真实操作系统协议栈实现图表 1-4 list和hlist的区别图表 1-5 函数调用树的演示图表 2-1Linux内核编译——网络选项部分图表 2-2 系统启动函数序列图图表 2-3rest_init函数调用树图表 2-4init函数调用关系树图表 2-5ELF文件格式图表 2-6 普通的ELF段排列图表 2-7 中断向量和中断请求号之间的关系图表 2-8 do_IRQ函数调用树图表 2-9 系统调用发生的情况图表 2-10VFS与底层各模块关系图表 2-11 super_blocks和file_systems链表图表 2-12 sock和sk_buff的关系图表 2-13 skbuff_fclone_cache中的内存操作图表 2-14 不同skb cache中的内存操作图表 2-15 各协议层函数对网络报文头的理解图表 2-16 kern_mount函数调用树图表 2-17 sockfs_get_sb函数调用树图表 2-18 inet_init调用树图表 2-19 tcp_prot, udp_prot, raw_prot结构图表 2-20 协议栈的具体形式图表 2-21 pci_module_init函数调用树图表 2-22 bus_match函数调用树图表 2-23 drv->probe的被调用关系树图表 2-24 系统装入各驱动程序的步骤图表 2-25 drvprobe实现的基本功能图表 2-26net_device和in_device、设备特定数据之间的关系图表 3-1FD的意义图表 3-2sys_socket的函数调用树图表 3-3sock_alloc函数调用树图表 3-4 soket_alloc结构图表 3-5file、socket、sock之间的关系图表 3-6 sock结构在不同协议的数据块图表 3-7ioctl的内核实现图表 3-8 inet_set_ifa之后数据结构之间的关系图表 3-9 devinet_ioctl函数调用树图表 3-10 inet_set_ifa发送NETDEV_UP事件 ................................................................................................ 4 ................................................................................................................. 6 ............................................................................................................ 7 ..................................................................................... 9 ....................................................................................................... 10 ............................................................................................................11 ........................................................................................................... 12 ..................................................................................................................... 14 ............................................................................................................ 14 .............................................................................. 24 .......................................................................................................... 27 ...................................................................................................... 29 ................................................................................................... 38 .................................................................................... 38 ...................................................................................................... 41 ................................................................................ 46 ........................................................................................ 46 ............................................................................ 48 .................................................................................................. 49 .............................................................................................. 50 ................................................................................................................ 51 ................................................................................... 52 ........................................................................................................ 57 ........................................................................................... 61 .................................................................................................... 62 ........................................................................................... 63 ........................................................................................ 63 ........................................................................................... 65 ..................................................... 71 ........................................................................................................................... 75 ................................................................................................... 76 ....................................................................................................... 76 ................................................................................................................. 77 ......................................................................................... 80 ........................................................................................ 81 ................................................................................................................. 82 ............................................................................ 86 .................................................................................................. 87 ............................................................................... 87 第 v 页

Linux2.6 协议栈源代码分析图表 3-11 rtentry被拆分成 3 个部分图表 3-12 rtnetlink_init函数调用树图表 3-13 probe发起NET_DEV_REGISTER事件图表 3-14 dev_open发起NETDEV_UP事件图表 3-15 IP别名的用途图表 3-16 ifa_list的组织形式图表 3-17 FIB和RT cache的关系图表 3-18 devinet_init函数调用树图表 3-19ip_fib_init函数调用树图表 3-20 Linux内核路由模块结构图表 3-21 FIB规则和FIB表的关系图表 3-22 不同算法的fib_table的结构不同图表 3-23fib_table和fn_zone、fib_node结构的关系图表 3-24fib_inetaddr_event函数内部实现图表 3-25 fn_hash_insert之后fib_table和fn_zone及fib_node之间的关系图表 3-26 fib_node与fib_alias、fib_info、fib_nh结构的关系图表 3-27 fib_info_hash和fib_info_devhash的关系图表 3-28 第一次完成FIB表插入图表 3-29 第二次完成FIB表插入图表 3-30 第三次完成FIB表插入图表 3-31 第四次完成FIB表插入图表 3-32 完成FIB表插入图表 3-33 对main FIB表插入图表 3-34 常见路由软件架构图表 3-35linkwatch_run_queue内部主要逻辑图表 3-36 NETDEV_CHANGE事件图表 4-1 IP层数据报文格式图表 4-2 sys_send函数调用树图表 4-3 meghdr如何指向用户空间数据图表 4-4 rt_hash_table和rtable、dst_entry的关系图表 4-5fib_result、fib_info、fib_nh的关系图表 4-6 __ip_route_output_key内部逻辑和FIB、路由cache之间的关系图表 4-7__neigh_lookup_errno内部逻辑图图表 4-8ip_output函数调用树图表 4-9 hh_cache的结构关系图图表 4-10 邻居子系统初次发送过程的序列图图表 4-11 ARP报文格式图表 4-12 arp_init函数调用树图表 4-13neigh_table各成员的关系图 ............................................................................................... 88 ................................................................................................ 88 ......................................................................... 90 ................................................................................... 91 ................................................................................................................. 93 .......................................................................................................... 95 .................................................................................................... 96 ............................................................................................... 98 ..................................................................................................... 98 .............................................................................................. 100 ............................................................................................... 101 ................................................................................ 103 ................................................................... 107 .................................................................................. 108 ...................................118 .....................................................119 ......................................................................119 ................................................................................................ 120 ................................................................................................. 120 ................................................................................................. 121 ................................................................................................. 121 ............................................................................................................ 122 ....................................................................................................... 122 ...................................................................................................... 123 ............................................................................. 126 ............................................................................................. 126 .......................................................................................................... 130 ....................................................................................................... 131 ..................................................................................... 132 ....................................................................... 136 ............................................................................... 142 ................................. 151 .................................................................................. 152 ....................................................................................................... 159 .................................................................................................. 160 ........................................................................... 165 ................................................................................................................ 166 .................................................................................................... 168 ......................................................................................... 170 第 vi 页

Linux2.6 协议栈源代码分析图表 4-14 arp_send函数调用树图表 4-15 arp_rcv函数调用树图表 4-16 ping操作的基本流程图表 4-17 以太网层数据报文格式图表 4-18 不同类型的驱动程序造成不同的报文接收方式图表 4-19 __netif_rx_schedule函数调用树图表 4-20 net_rx_actiion函数调用树图表 4-21 报文到达被不同层次协议处理的原理图图表 4-22 netif_receive_skb函数调用树图表 4-23ip_route_input函数调用树图表 4-24 dst_input函数调用树图表 4-25ICMP数据报文格式图表 4-26 icmp_rcv处理接收到的消息图表 4-27 icmp_echo函数调用树图表 4-28 协议栈的交互——目的地址是本机图表 4-29 协议栈的交互——目的地址是直连主机图表 4-30 协议栈的交互——目的地址是远端主机图表 4-31 ICMP重定向示意图图表 4-32 ipmp_redirect函数调用树图表 4-33 sys_rcv函数调用树图表 4-34 从两个方向来理解报文是如何到达用户层的图表 5-1UDP数据报文格式图表 5-2 udp_hash数据结构图表 5-3 udp_rcv函数调用树图表 5-4 release函数图表 5-5 inet_release函数调用树图表 5-6TCP数据报文格式图表 5-7 sys_listen函数调用树图表 5-8 bind和listen都要调用tcp_v4_get_port函数图表 5-9 tcp_hashinfo中的内部数据结构图表 5-10 inet_csk_listen_start函数调用树图表 5-11 sys_accept函数调用树图表 5-12 sys_connct在不同的协议下的执行路径图表 5-13ip_local_deliver_finish函数调用tcp的树图表 5-14tcp_v4_conn_request函数调用树图表 5-15 3 次握手在内核中的实现序列图图表 5-16tcp_transmit_skb调用树图表 5-17 tcp_close函数调用树图表 5-18 网络负载与吞吐量及响应时间的关系 ..................................................................................................... 173 ....................................................................................................... 174 .................................................................................................... 180 ............................................................................................... 181 ...................................................... 184 .................................................................................. 187 ............................................................................................ 188 .................................................................. 189 ....................................................................................... 190 ............................................................................................ 192 .................................................................................................... 197 ...................................................................................................... 199 ........................................................................................ 200 .................................................................................................. 200 ........................................................................... 201 ................................................................... 202 ................................................................... 204 ..................................................................................................... 204 ............................................................................................. 205 ....................................................................................................... 207 .......................................................... 208 .......................................................................................................... 212 .......................................................................................................... 216 ........................................................................................................ 217 ...................................................................................................................... 220 .................................................................................................. 220 ........................................................................................................... 222 ..................................................................................................... 226 ................................................................... 227 .................................................................................... 228 .................................................................................. 230 .................................................................................................. 231 ..................................................................... 234 ...................................................................... 240 .................................................................................. 245 ................................................................................ 246 ................................................................................................ 247 .................................................................................................... 255 ....................................................................... 256 第 vii 页

Linux2.6 协议栈源代码分析图表 5-19(a) 慢启动和拥塞避免图表 5-20(b) 快速重传和快速恢复图表 5-21 TCP Reno的状态机图表 6-1 典型的软件包实现形式图表 6-2 core_sys_select函数调用树图表 7-1 netif_receive_skb调用handle_bridge分支图表 7-2 VLAN使用场景之一图表 7-3 VLAN的格式图表 7-4 vlan_proto_init函数调用树图表 7-5 sock_ioctl关于VLAN的分支图表 7-6 VLAN“设备”组织图图表 7-7 LACP应用场景图表 7-8 链路聚合场景中对上层协议的影响图表 7-9 LACP报文格式图表 7-10 协议原理图图表 7-11 LACP状态机的运转图图表 7-12 bonding_init函数调用树图表 7-13 bond_3ad_lacpdu_recv函数调用树 .................................................................................................. 258 ............................................................................................. 258 ....................................................................................................... 259 ................................................................................................ 262 ............................................................................................ 265 ...................................................................... 268 ...................................................................................................... 270 .................................................................................................................. 270 ............................................................................................ 271 .......................................................................................... 271 .................................................................................................. 274 ............................................................................................................... 276 ............................................................................ 277 ............................................................................................................... 278 .................................................................................................................. 279 ................................................................................................. 280 ............................................................................................... 281 .............................................................................. 283 表目录 21 19 代码段 1-1 hlist_head的定义 6 13 代码段 2-1do_initcalls函数代码段 2-2init.h 代码段 2-3Linux内核ld scripts 23 代码段 2-4 内核镜像输出init的打印 25 代码段 2-5 2.4 中断定义宏代码段 2-6init_IRQ函数 26 28 代码段 2-7do_IRQ函数 28 代码段 2-8handle_IRQ_event函数代码段 2-9 sys_socketcall函数 30 30 代码段 2-10softirq_init函数 31 代码段 2-11open_softirq函数 31 代码段 2-12__do_softirq函数代码段 2-13request_irq函数 32 37 代码段 2-14 notifier_call_chain函数 40 代码段 2-15 sock_init函数代码段 2-16 sk_buff_head 结构 41 第 viii 页

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