【网络编程】Linux网络内核结构以及分布剖析

hello ！大家好呀！欢迎大家来到我的网络编程系列之Linux网络内核结构以及分布剖析，在这篇文章中，你将会学习到在Linux内核中如何实现网络数据的输入和输出的，并且我会给出源码进行剖析，以及手绘UML图来帮助大家来理解，希望能让大家更能了解网络编程技术！！！

希望这篇文章能对你有所帮助，大家要是觉得我写的不错的话，那就点点免费的小爱心吧！

一.Linux网络内核

1.1 网络内核文件

1.2 网络协议栈

1.3 sk_buff结构

1.4 inet_protosw结构

二.软中断

2.1 什么是软中断？

2.2 核心数据结构

软中断守护程序

软中断映射表

2.3软中断使用方法

示例代码

一.Linux网络内核

Linux内核的网络子系统是一个复杂而庞大的系统，负责处理各种网络相关的任务，包括网络协议栈、网络设备驱动、网络协议实现等。

1.1 网络内核文件

网络内核文件结构：

/usr/src/3.2.0-45 这样的目录路径通常表示的是某个软件包的源代码包，其中包含了特定版本的源代码。这个目录结构是用于存放Linux内核源代码的常见方式，尤其是在使用.deb或.rpm包管理系统时。

3.2.0-45 部分通常表示内核的版本号，具体格式可能会有所不同，但通常包括以下几个部分：

主版本号（Major Version）：通常是一个数字，表示内核的主要版本。
次版本号（Minor Version）：也通常是一个数字，表示内核的次要版本。
修订版本号（Patch Level）：通常是一个数字，表示内核的修订版本。
次修订版本号（Sub Patch Level）：在一些情况下，可能还会有一个数字表示次修订版本。

例如，3.2.0-45 可能表示的是内核版本3.2.0的修订版本45。

Makefile: 这是构建内核时使用的构建系统文件，它定义了如何编译和链接内核。
arch: 这个目录包含了针对不同体系结构（如x86、ARM等）的内核源代码。
block, fs, net, scsi, security, sound, usb 等: 这些目录包含了内核的不同子系统，如文件系统、块设备、网络、SCSI设备、安全特性、声音设备和USB设备等。
include: 这个目录包含了内核中使用的头文件。
scripts: 这个目录包含了用于处理内核源代码的脚本，如编译脚本、工具脚本等。
Documentation: 这个目录包含了内核的文档，包括用户手册、开发者指南等。
samples: 这个目录包含了内核示例代码，用于演示如何使用内核功能。
kernel: 这个目录包含了内核源代码的主体，即内核代码。
Module: 这个目录包含了内核模块的源代码，这些模块可以在运行时加载和卸载。
Documentation/examples: 这个目录可能包含了一些示例代码和配置文件，用于演示如何使用内核功能。

1.2 网络协议栈

网络协议栈（Network Protocol Stack）是操作系统中用于处理网络通信的一组软件层。它定义了网络数据如何在不同网络设备之间传输和交换，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每个层都负责特定的功能，共同协作以实现高效、可靠的网络通信。

此图为网络数据在网络协议栈中输入输出：

网络协议栈的作用包括：

分层架构：网络协议栈采用分层设计，每层负责不同的功能，这种设计使得网络协议更加模块化、可扩展和易于维护。
抽象层：网络协议栈为应用程序提供了一个抽象层，应用程序不需要了解底层网络硬件和协议的复杂性，只需使用简单的接口来发送和接收数据。
协议转换：网络协议栈能够处理不同网络协议之间的转换，如从TCP/IP协议栈转换到其他协议栈，确保数据能够在不同的网络环境中传输。
错误检测和恢复：网络协议栈包含错误检测和恢复机制，以确保数据在传输过程中不会丢失或损坏。
地址解析：网络协议栈能够将IP地址转换为MAC地址，以及将MAC地址转换为IP地址，以实现网络设备的通信。
路由和转发：网络协议栈负责根据网络拓扑和路由协议，将数据包从源地址传输到目标地址。
流量控制：网络协议栈可以实现流量控制，以避免网络拥塞和数据丢失。
安全性：网络协议栈可以提供加密、认证和访问控制等安全特性，保护网络通信的安全性。
多路复用：网络协议栈支持多路复用技术，允许多个应用程序同时使用网络资源，提高网络资源的利用率。
性能优化：网络协议栈通过各种优化技术，如缓存、压缩和分片，来提高网络通信的性能。

总之，网络协议栈是现代操作系统中不可或缺的一部分，它为应用程序提供了一个稳定、可靠和高效的网络通信平台。

1.3 sk_buff结构

sk_buff（socket buffer）是Linux内核中用于处理网络数据的一种数据结构，它用于存储发送或接收的网络数据包。sk_buff 结构通常与 socket 相关联，并且可以被多个 socket 共享。sk_buf 结构用于提高网络性能，因为它允许内核缓冲区被多个 socket 重用，从而减少了内存分配和释放的开销。

下面是 sk_buff 结构的定义代码：

struct sk_buff {
    struct sk_buff *next;       // 指向下一个sk_buff的指针
    struct sk_buff *prev;       // 指向上一个sk_buff的指针
    // ... 其他字段 ...
};

sk_buff 结构的详细成员和作用如下：

next:
- 类型：struct sk_buff *
- 作用：指向链表中的下一个 sk_buff 结构。sk_buff 结构通常通过 next 和 prev 指针形成一个双向链表，以便于内核高效地处理多个网络数据包。
prev:
- 类型：struct sk_buff *
- 作用：指向上一个 sk_buff 结构。sk_buff 结构通过 next 和 prev 指针构成一个双向链表，以便于内核高效地处理多个网络数据包。
head:
- 类型：struct sk_buff_head *
- 作用：指向一个 sk_buff_head 结构，该结构用于维护一个 sk_buff 链表。sk_buff_head 结构包含了一个 sk_buff 链表的头节点，并提供了插入和删除节点的方法。
tail:
- 类型：struct sk_buff *
- 作用：指向链表中的最后一个 sk_buff 结构。
len:
- 类型：unsigned int
- 作用：表示数据缓冲区中数据的长度。这个长度不包括缓冲区中的任何填充字节。
data:
- 类型：unsigned char *
- 作用：指向数据缓冲区的起始地址。这个指针指向数据缓冲区中的有效数据，而不是整个缓冲区。
truesize:
- 类型：unsigned int
- 作用：表示数据缓冲区的大小，包括数据缓冲区和任何填充字节。

1.4 inet_protosw结构

net_protosw 是一个在 Linux 内核中定义的数据结构，它用于表示一个协议的接口，该协议通常是一个网络协议栈中的传输层协议。这个结构体是用于描述套接字（socket）操作的，包括创建、接受、发送和接收数据等。

struct inet_protosw {
    const struct proto_ops *ops;        // 协议操作集合
    struct protocol proto;              // 协议类型
    int type;                            // 套接字类型（SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM等）
    int protocol;                       // 协议号（如TCP为6，UDP为17）
    unsigned short flags;               // 标志位
    int bound_dev_if;                   // 绑定的网络接口
    void (*init)(struct socket *);      // 初始化套接字
    void (*destroy)(struct socket *);   // 销毁套接字
    int (*connect)(struct socket *, struct sockaddr *, int);

    // 其他方法
};

二.软中断

2.1 什么是软中断？

在Linux内核中，软中断（Soft Interrupt）是一种非硬件中断，它允许内核代码在不需要CPU硬件中断的情况下执行中断处理代码。软中断通常用于执行一些需要立即执行的任务，但不需要立即响应的场合，例如网络数据包的处理、磁盘I/O操作等。

2.2 核心数据结构

在Linux内核中，软中断使用以下核心数据结构：

struct softirq_action:
- 类型：struct softirq_action
- 作用：表示软中断的处理函数。每个软中断类型都对应一个处理函数。
struct softirq_desc:
- 类型：struct softirq_desc
- 作用：表示软中断的描述符。每个软中断类型都有一个描述符，用于管理该类型的软中断。
struct softirq_vec:
- 类型：struct softirq_vec
- 作用：表示软中断向量。内核使用软中断向量来管理所有的软中断类型。

软中断守护程序

软中断守护程序（Softirq Handler）是内核中用于处理软中断的函数。每个软中断类型都有一个对应的守护程序。当软中断被触发时，内核会调用相应的守护程序来执行中断处理代码。

软中断映射表

软中断映射表（Softirq Vector）是内核中用于管理所有软中断类型的数据结构。它是一个数组，每个元素都是一个指向软中断描述符的指针。当软中断被触发时，内核会根据软中断类型找到对应的描述符，并调用其守护程序。

2.3软中断使用方法

在Linux内核中，软中断的使用方法如下：

注册软中断处理函数:
- 使用内核API注册软中断处理函数。这些函数在软中断被触发时执行。
触发软中断:
- 当某个事件发生时，内核代码可以触发相应的软中断。这通常是通过调用一个内核API来实现的。
执行软中断处理函数:
- 当软中断被触发时，内核会执行对应的处理函数。这些函数在软中断上下文中运行，它们可以执行一些必要的操作，如更新状态、发送数据包、处理I/O请求等。
软中断上下文:
- 软中断处理函数在软中断上下文中运行。这意味着它们不能执行某些操作，如阻塞或睡眠，因为这可能会导致系统响应性下降。
软中断优先级:
- 软中断可以有优先级，内核可以根据优先级来决定执行哪个软中断。
软中断队列:
- 内核使用软中断队列来管理软中断。当一个软中断被触发时，它会被添加到队列中。内核调度器会定期检查队列，并执行队列中的软中断。

示例代码

以下是一个简单的示例代码，演示如何在Linux内核中注册和触发软中断：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/interrupt.h>

static struct softirq_action my_softirq = {
    .handler = my_softirq_handler,
};

static void my_softirq_handler(struct softirq_action *h)
{
    // 执行软中断处理代码
}

static int __init my_module_init(void)
{
    // 注册软中断处理函数
    request_softirq(MY_SOFTIRQ, my_softirq_handler, NULL);

    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void)
{
    // 取消软中断处理函数
    free_softirq(MY_SOFTIRQ);
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Example of using softirq in Linux kernel");

分析：

tatic struct softirq_action my_softirq = {:
定义一个struct softirq_action类型的变量my_softirq，它包含了软中断处理函数的指针。

static void my_softirq_handler(struct softirq_action *h):
定义一个函数my_softirq_handler，它是软中断的处理函数。h参数是一个指向struct softirq_action的指针，用于传递软中断上下文信息。

static int __init my_module_init(void):
定义一个模块初始化函数my_module_init，当模块被加载时会执行。

request_softirq(MY_SOFTIRQ, my_softirq_handler, NULL);:
使用request_softirq函数注册软中断处理函数。MY_SOFTIRQ是一个宏，代表我们要注册的软中断类型。my_softirq_handler是我们定义的软中断处理函数。NULL参数用于指定软中断处理函数的私有数据。

static void __exit my_module_exit(void):
定义一个模块清理函数my_module_exit，当模块被卸载时会执行。

free_softirq(MY_SOFTIRQ);:
使用free_softirq函数注销软中断处理函数。