Linux 网络：skb 数据管理

news2025/3/12 18:12:31

文章目录

  • 1. 前言
  • 2. skb 数据管理
    • 2.1 初始化
    • 2.2 数据的插入
      • 2.2.1 在头部插入数据
      • 2.2.2 在尾部插入数据
    • 2.2 数据的移除
  • 3. 小结

1. 前言

限于作者能力水平，本文可能存在谬误，因此而给读者带来的损失，作者不做任何承诺。

2. skb 数据管理

数据结构：

/* include/linux/skbuff.h */

struct sk_buff {
	...
	/*
	 * @len: sk_buff 包含的数据长度(sk_buff::tail - sk_buff::data). 
	 *       当在协议层间移动时, @len 会改变: 添加(往下层)或移除(往上层)
	 *		 操作接口 skb_reserve(), skb_put(), skb_push(), skb_pull()
	 */
	unsigned int		len,
				data_len/* 仅用于分片场景下分片(fragment)数据的长度 */;
	__u16			mac_len/* MAC 头部长度 */,
				hdr_len;
	...
	__be16			protocol; /* ETH_P_IP, ... */
	__u16			transport_header; /* 传输层数据偏移 */
	__u16			network_header; /* 网络层数据偏移 */
	__u16			mac_header; /* MAC/Linker 层数据偏移 */
	...
	/* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details.  */
	/*
	 * head --> -------------------
	 *         | reserved headroom |
	 * data -->|-------------------|
	 *         |///|
	 *         |///|
	 * tail -->|-------------------|
	 *         |      tailroom     |
	 * end  -->|-------------------|
	 *         |  skb_shared_info  |
	 *         |-------------------|
	 *         |       PAD         |
	 *          -------------------
	 */
	sk_buff_data_t		tail; /* 偏移位置: 指向当前数据的尾部，随数据的添加、移除而改变 */
	sk_buff_data_t		end; /* 偏移位置: 可用数据空间的尾部。end 后还跟有 skb_shared_info */
	unsigned char		*head, /* 数据指针: 指向可用数据空间数据头部 */
						*data; /* 数据指针: 指向当前数据开始位置 */
	unsigned int		truesize; /* sizeof(sk_buff) + size(数据空间大小) + sizeof(skb_shared_info), 由 alloc_skb() 初始化 */
	refcount_t			users; /* sk_buff 引用计数. skb_get(), kfree_skb() 接口影响 */
};

2.1 初始化

创建 skb 时的初始化：

struct sk_buff *skb;
int frame_len; /* 网卡接收的数据帧长度 */

frame_len = ...;
skb = netdev_alloc_skb_ip_align(priv->dev, frame_len);

/* include/linux/skbuff.h */

static inline struct sk_buff *netdev_alloc_skb_ip_align(struct net_device *dev,
		unsigned int length)
{
	return __netdev_alloc_skb_ip_align(dev, length, GFP_ATOMIC);
}

static inline struct sk_buff *__netdev_alloc_skb_ip_align(struct net_device *dev,
		unsigned int length, gfp_t gfp)
{
	struct sk_buff *skb = __netdev_alloc_skb(dev, length + NET_IP_ALIGN, gfp);

	if (NET_IP_ALIGN && skb)
		skb_reserve(skb, NET_IP_ALIGN); /* 在数据头部保留部分空间 */
	return skb;
}

/* net/core/skbuff.c */

struct sk_buff *__netdev_alloc_skb(struct net_device *dev, unsigned int len,
				   gfp_t gfp_mask)
{
	struct page_frag_cache *nc;
	unsigned long flags;
	struct sk_buff *skb;
	bool pfmemalloc;
	void *data;

	/*
	 * 数据长度对齐：
	 * 没有特别定义 NET_SKB_PAD 时，是对齐到 cache 行。
	 */
	len += NET_SKB_PAD;

	...

	/* skb_shared_info 包含在 skb 的数据(长度)内 */
	len += SKB_DATA_ALIGN(sizeof(struct skb_shared_info)); 
	len = SKB_DATA_ALIGN(len);

	...
	data = page_frag_alloc(nc, len, gfp_mask); /* 分配 @len 数据空间 */
	...

	skb = __build_skb(data, len); /* 用 @len 长度数据 @data 构建 skb */
	...

skb_success:
	skb_reserve(skb, NET_SKB_PAD); /* 在数据头部保留部分空间 */
	skb->dev = dev; /* 设定 skb 的 所属的 网卡设备对象 */

skb_fail:
	return skb;
}

struct sk_buff *__build_skb(void *data, unsigned int frag_size)
{
	struct skb_shared_info *shinfo;
	struct sk_buff *skb;
	unsigned int size = frag_size ? : ksize(data);

	/* 创建 skb 对象 */
	skb = kmem_cache_alloc(skbuff_head_cache, GFP_ATOMIC);
	...

	size -= SKB_DATA_ALIGN(sizeof(struct skb_shared_info));

	memset(skb, 0, offsetof(struct sk_buff, tail)); /* skb->tail 之前的所有成员清 0 */
	skb->truesize = SKB_TRUESIZE(size);
	refcount_set(&skb->users, 1);
	skb->head = data;
	skb->data = data;
	skb_reset_tail_pointer(skb); /* 初始化 tail: 指向数据开始的偏移位置，即 skb->data 所在的偏移位置 */
	skb->end = skb->tail + size;
	skb->mac_header = (typeof(skb->mac_header))~0U;
	skb->transport_header = (typeof(skb->transport_header))~0U;

	/* make sure we initialize shinfo sequentially */
	shinfo = skb_shinfo(skb);
	memset(shinfo, 0, offsetof(struct skb_shared_info, dataref));
	atomic_set(&shinfo->dataref, 1);

	return skb;
}

我们用一张图来描述 skb 的初始状态：

在这里插入图片描述

skb 数据管理，主要依靠 tail, end, head, data 这几个成员。从图中可见，在初始时：

head: 指向数据的开始位置。
data: 指向可用数据的开始位置，跳过了头部保留空间。
tail: 当前已填充数据的结尾位置偏移。
end: 数据可用空间结尾位置偏移。

2.2 数据的插入

数据插入位置可以是 头部 和 尾部。

2.2.1 在头部插入数据

在头部插入数据，首先通过 *skb_push() 系列 API 按插入数据长度移动数据位置指针，然后执行数据拷贝。

如进行 IP 数据分片时：

int ip_do_fragment(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
		   int (*output)(struct net *, struct sock *, struct sk_buff *))
{
	...
	skb_reset_transport_header(frag); /* 设置 传输层 数据偏移位置 */
	__skb_push(frag, hlen); /* 往后移动数据指针，在头部为 网络层协议头(L3) 划分一部分空间 */
	skb_reset_network_header(frag); /* 设置 网络层 数据偏移位置 */
	memcpy(skb_network_header(frag), iph, hlen); /* 在 头部 插入 网络层 数据 */
	...
}

/* include/linux/skbuff.h */

/* 设置 传输层(L4) TCP/UDP 头部数据偏移位置 */
static inline void skb_reset_transport_header(struct sk_buff *skb)
{
	skb->transport_header = skb->data - skb->head;
}

/*
 * 从头部增加 @len 长度数据后调用: 
 * . skb->data 后退 @len 个位置 (skb->data -= len)
 * . skb->len 增大 @len
 */
void *skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len);
static inline void *__skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
	skb->data -= len;
	skb->len  += len;
	return skb->data;
}

/* 设置 网络层(L3) IP 头部数据偏移位置 */
static inline void skb_reset_network_header(struct sk_buff *skb)
{
	skb->network_header = skb->data - skb->head;
}

/* 返回 网络层 (L3) IP 头部位置 (struct ip_header *) */
static inline unsigned char *skb_network_header(const struct sk_buff *skb)
{
	return skb->head + skb->network_header;
}

从这里的示例代码可以看到，在头部插入数据，分为两步：

1. 通过 __skb_push() 移动数据指针
2. 然后再将数据拷贝到指定位置

可见，*skb_push() 系列 API 只会移动数据指针，并不会做数据拷贝操作。

2.2.2 在尾部插入数据

在尾部插入数据，首先执行数据拷贝，然后通过 *skb_put() 系列 API 按拷贝的数据长度移动 skb 数据位置指针。

如网卡接收数据时：

static int stmmac_rx(struct stmmac_priv *priv, int limit, u32 queue)
{
	...
	/* 分配 skb 缓冲（细节见前面分析） */     
	skb = netdev_alloc_skb_ip_align(priv->dev, frame_len);
	/* 拷贝接收的数据(RING BUFFE 中的数据)到 skb 缓冲 */
	skb_copy_to_linear_data(skb,
							rx_q->rx_skbuff[entry]->data,
							frame_len);
	skb_put(skb, frame_len); /* 移动数据指针 */
	...
}

/* include/linux/skbuff.h */

static inline void skb_copy_to_linear_data(struct sk_buff *skb,
					   const void *from,
					   const unsigned int len)
{
	memcpy(skb->data, from, len);
}

#ifdef NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET
static inline unsigned char *skb_tail_pointer(const struct sk_buff *skb)
{
	return skb->head + skb->tail;
}

static inline void skb_reset_tail_pointer(struct sk_buff *skb)
{
	skb->tail = skb->data - skb->head;
}

static inline void skb_set_tail_pointer(struct sk_buff *skb, const int offset)
{
	skb_reset_tail_pointer(skb);
	skb->tail += offset;
}

#else /* NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET */
static inline unsigned char *skb_tail_pointer(const struct sk_buff *skb)
{
	return skb->tail;
}

static inline void skb_reset_tail_pointer(struct sk_buff *skb)
{
	skb->tail = skb->data;
}

static inline void skb_set_tail_pointer(struct sk_buff *skb, const int offset)
{
	skb->tail = skb->data + offset;
}

#endif /* NET_SKBUFF_DATA_USES_OFFSET */

/* net/core/skbuff.c */

/*
 * 增加数据长度，在【尾部】增加数据时使用: 
 * . 前进数据【尾部偏移】 skb->tail += len
 * . 增大数据长度 skb->len += len
 * 返回: 数据旧的尾部位置数据指针。
 */
void *skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
	void *tmp = skb_tail_pointer(skb);
	SKB_LINEAR_ASSERT(skb);
	skb->tail += len;
	skb->len  += len;
	if (unlikely(skb->tail > skb->end)) /* 超出了数据尾部空间 */
		skb_over_panic(skb, len, __builtin_return_address(0));
	return tmp;
}
EXPORT_SYMBOL(skb_put);

2.2 数据的移除

处于效率的考虑，skb 数据的移除，并不是真的移除，而是仅仅移动数据指针位置。通过 *skb_pull() 系列 API 执行数据的移除：

/* net/core/skbuff.c */

void *skb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
	return skb_pull_inline(skb, len);
}
EXPORT_SYMBOL(skb_pull);

/* include/linux/skbuff.h */

/*
 * 从头部拉取 @len 长度数据后调用: 
 * . skb->data 前进 @len 个位置 (skb->data += len)
 * . skb->len 减小 @len
 */
static inline void *skb_pull_inline(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
	return unlikely(len > skb->len) ? NULL : __skb_pull(skb, len);
}

/*
 * 从头部拉取 @len 长度数据后调用: 
 * . skb->data 前进 @len 个位置 (skb->data += len)
 * . skb->len 减小 @len
 */
void *skb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len);
static inline void *__skb_pull(struct sk_buff *skb, unsigned int len)
{
	skb->len -= len;
	BUG_ON(skb->len < skb->data_len);
	return skb->data += len;
}

3. 小结

本文简答的对 skb 数据管理的最基本情形 - 线性数据的插入删除 - 做了描述，事实上，skb 的数据的管理，远比这个要更复杂，譬如 IP 分片的非线性数据管理、skb_shared_info 的管理等等，以后有机会再和大家一起探讨。

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