Linux內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)udp數(shù)據(jù)包發(fā)送（一）
[導(dǎo)讀]本系列文章1-4，來源于陳莉君老師公眾號(hào)“Linux內(nèi)核之旅”1.前言本文首先從宏觀上概述了數(shù)據(jù)包發(fā)送的流程，接著分析了協(xié)議層注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核以及被socket的過程，最后介紹了通過socket發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過程。2.數(shù)據(jù)包發(fā)送宏觀視角從宏觀上看，一個(gè)數(shù)據(jù)包從用戶程序到達(dá)硬件網(wǎng)卡的整個(gè)...
本系列文章1-4，來源于陳莉君老師公眾號(hào)“Linux內(nèi)核之旅”
1. 前言
本文首先從宏觀上概述了數(shù)據(jù)包發(fā)送的流程，接著分析了協(xié)議層注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核以及被socket的過程，最后介紹了通過 socket 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過程。2. 數(shù)據(jù)包發(fā)送宏觀視角
從宏觀上看，一個(gè)數(shù)據(jù)包從用戶程序到達(dá)硬件網(wǎng)卡的整個(gè)過程如下：- 使用系統(tǒng)調(diào)用（如?
sendto，sendmsg?等）寫數(shù)據(jù) - 數(shù)據(jù)穿過socket 子系統(tǒng)，進(jìn)入socket 協(xié)議族（protocol family）系統(tǒng)
- 協(xié)議族處理：數(shù)據(jù)穿過協(xié)議層，這一過程（在許多情況下）會(huì)將數(shù)據(jù)（data）轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包（packet）
- 數(shù)據(jù)穿過路由層，這會(huì)涉及路由緩存和 ARP 緩存的更新；如果目的 MAC 不在 ARP 緩存表中，將觸發(fā)一次 ARP 廣播來查找 MAC 地址
- 穿過協(xié)議層，packet 到達(dá)設(shè)備無關(guān)層（device agnostic layer）
- 使用 XPS（如果啟用）或散列函數(shù)選擇發(fā)送隊(duì)列
- 調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的發(fā)送函數(shù)
- 數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)卡的?
qdisc（queue discipline，排隊(duì)規(guī)則） - qdisc 會(huì)直接發(fā)送數(shù)據(jù)（如果可以），或者將其放到隊(duì)列，下次觸發(fā)NET_TX 類型軟中斷（softirq）的時(shí)候再發(fā)送
- 數(shù)據(jù)從 qdisc 傳送給驅(qū)動(dòng)程序
- 驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建所需的DMA 映射，以便網(wǎng)卡從 RAM 讀取數(shù)據(jù)
- 驅(qū)動(dòng)向網(wǎng)卡發(fā)送信號(hào)，通知數(shù)據(jù)可以發(fā)送了
- 網(wǎng)卡從 RAM 中獲取數(shù)據(jù)并發(fā)送
- 發(fā)送完成后，設(shè)備觸發(fā)一個(gè)硬中斷（IRQ），表示發(fā)送完成
- 硬中斷處理函數(shù)被喚醒執(zhí)行。對(duì)許多設(shè)備來說，這會(huì)觸發(fā) NET_RX 類型的軟中斷，然后 NAPI poll 循環(huán)開始收包
- poll 函數(shù)會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的相應(yīng)函數(shù)，解除 DMA 映射，釋放數(shù)據(jù)
3. 協(xié)議層注冊(cè)
協(xié)議層分析我們將關(guān)注 IP 和 UDP 層，其他協(xié)議層可參考這個(gè)過程。我們首先來看協(xié)議族是如何注冊(cè)到內(nèi)核，并被 socket 子系統(tǒng)使用的。當(dāng)用戶程序像下面這樣創(chuàng)建 UDP socket 時(shí)會(huì)發(fā)生什么？sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)
簡(jiǎn)單來說，內(nèi)核會(huì)去查找由 UDP 協(xié)議棧導(dǎo)出的一組函數(shù)（其中包括用于發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的函數(shù)），并賦給 socket 的相應(yīng)字段。準(zhǔn)確理解這個(gè)過程需要查看?AF_INET?地址族的代碼。內(nèi)核初始化的很早階段就執(zhí)行了?inet_init?函數(shù)，這個(gè)函數(shù)會(huì)注冊(cè)?AF_INET?協(xié)議族 ，以及該協(xié)議族內(nèi)的各協(xié)議棧（TCP，UDP，ICMP 和 RAW），并調(diào)用初始化函數(shù)使協(xié)議棧準(zhǔn)備好處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。inet_init?定義在net/ipv4/af_inet.c 。AF_INET?協(xié)議族導(dǎo)出一個(gè)包含?create?方法的?struct net_proto_family?類型實(shí)例。當(dāng)從用戶程序創(chuàng)建 socket 時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用此方法：static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
.family = PF_INET,
.create = inet_create,
.owner = THIS_MODULE,
};
inet_create?根據(jù)傳遞的 socket 參數(shù)，在已注冊(cè)的協(xié)議中查找對(duì)應(yīng)的協(xié)議：/* Look for the requested type/protocol pair. */
lookup_protocol:
err = -ESOCKTNOSUPPORT;
rcu_read_lock();
list_for_each_entry_rcu(answer, 
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