這篇文檔是基于 x86 體系結構和轉發 IP 分組的。

數據包在 Linux 內核鏈路層路徑?接收分組

1 接收中斷

如果網卡收到一個和自己 MAC 地址匹配或鏈路層廣播的以太網幀，它就會產生一個中斷。此網卡的驅動程序會處理此中斷：

從 DMA/PIO 或其他得到分組數據，寫到內存里去；

接著，會分配一個新的套接字緩沖區 skb ，并調用與協議無關的、網絡設備均支持的通用網絡接收處理函數 netif_rx(skb)。 netif_rx() 函數讓內核準備進一步處理 skb 。

然后， skb 會進入到達隊列以便 CPU 處理(對于多核 CPU 而言，每個 CPU 維護一個隊列)。如果 FIFO 隊列已滿，就會丟棄此分組。在 skb 排隊后，調用 __cpu_raise_softirq() 標記 NET_RX_SOFTIRQ 軟中斷，等待 CPU 執行。

至此， netif_rx() 函數調用結束，返回調用者狀況信息(成功還是失敗等)。此時，中斷上下文進程完成任務，數據分組繼續被上層協議棧處理。

2 softirq 和 bottom half

內核 2.4 以后，整個協議棧不再使用 bottom half (下半文，沒找到好的翻譯)，而是被軟中斷 softirq 取代。軟中斷softirq 優勢明顯，可以同時在多個 CPU 上執行；而 bottom half 一次只能在一個 CPU 上執行，即在多個 CPU 執行時嚴格保持串行。

中斷服務程序往往都是在 CPU 關中斷的條件下執行的，以避免中斷嵌套而使控制復雜化。但是 CPU 關中斷的時間不能太長，否則容易丟失中斷信號。為此， Linux 將中斷服務程序一分為二，各稱作“ Top Half ”和“ Bottom Half ”。前者通常對時間要求較為嚴格，必須在中斷請求發生后立即或至少在一定的時間限制內完成。因此為了保證這種處理能原子地完成， Top Half 通常是在 CPU 關中斷的條件下執行的。具體地說， Top Half 的范圍包括：從在 IDT 中登記的中斷入口函數一直到驅動程序注冊在中斷服務隊列中的 ISR 。而 Bottom Half 則是 Top Half 根據需要來調度執行的，這些操作允許延遲到稍后執行，它的時間要求并不嚴格，因此它通常是在 CPU 開中斷的條件下執行的，比如網絡底層操作就是這樣，由于某些原因，中斷并沒有立刻響應，而是先記錄下來，等到可以處理這些中斷的時候就一塊處理了。但是， Linux 的這種 Bottom Half (以下簡稱 BH )機制有兩個缺點，也即：

( 1 )在任意一時刻，系統只能有一個 CPU 可以執行 Bottom Half 代碼，以防止兩個或多個 CPU 同時來執行 Bottom Half 函數而相互干擾。因此 BH 代碼的執行是嚴格“串行化”的。

( 2 ) BH 函數不允許嵌套。

這兩個缺點在單 CPU 系統中是無關緊要的，但在 SMP 系統中卻是非常致命的。因為 BH 機制的嚴格串行化執行顯然沒有充分利用 SMP 系統的多 CPU 特點。為此， Linux2.4 內核在 BH 機制的基礎上進行了擴展，這就是所謂的“軟中斷請求”( softirq )機制。 Linux 的 softirq 機制是與 SMP 緊密不可分的。為此，整個 softirq 機制的設計與實現中自始自終都貫徹了一個思想：“誰觸發，誰執行 ”( Who marks ， Who runs )，也即觸發軟中斷的那個 CPU 負責執行它所觸發的軟中斷，而且每個 CPU 都由它自己的軟中斷觸發與控制機制。這個設計思想也使得 softirq 機制充分利用了 SMP 系統的性能和特點。

3 NET_RX_SOFTIRQ 網絡接收軟中斷

這一階段會根據協議的不同來處理數據分組。 CPU 開始處理軟中斷 do_softirq() ，，接著 net_rx_action() 處理前面標記的 NET_RX_SOFTIRQ ，把出對列的 skb 送入相應列表處理(根據協議不同到不同的列表)。比如， IP 分組交給 ip_rcv()處理， ARP 分組交給 arp_rcv() 處理等。

4 處理 IPv4 分組

下面以 IPv4 為例，講解 IPv4 分組在高層的處理。

linux 內核協議棧之網絡層

ip_rcv() 函數驗證 IP 分組，比如目的地址是否本機地址，校驗和是否正確等。若正確，則交給 netfilter 的NF_IP_PRE_ROUTING 鉤子(關于netfilter細節可以參考 Hacking the Linux Kernel Network Stack )；否則，丟棄。到了 ip_rcv_finish() 函數，數據包就要根據 skb 結構的目的或路由信息各奔東西了。

ip_local_deliver() 處理到本機的數據分組；

ip_forward() 處理需要轉發的數據分組；

ip_mr_input() 轉發組播數據包

至此，數據分組的接受和處理工作就告一段落了，至于于此相對的數據分組的發送，我就貼個圖吧，具體細節可參考 The Linux? Networking Architecture: Design and Implementation of Network Protocols in the Linux Kernel Prentice Hall August 01, 2004

dev_queue_xmit() 處理發送分組

附一張 Linux 2.4 核的 netfilter 框架下分組的走向圖：

總結下：

1.中斷處理函數中：

網卡收到一幀------------------------〉

引發中斷-------------------〉

cpu調用相應的中斷處理函數(指向此網卡驅動中的相應的處理函數)(把此packet讀到ram中)--------------------〉

呼叫netif_rx函數來打上timestamp，并把此skb放入到cpu設置的隊列中-----------------〉

標記軟中斷(__cpu_raise_softirq)---------------------〉中斷完成。

2．當軟中斷被調用時(一共在三個地方調用)，呼叫NET_RX_SOFTIRQ(其實就是net_rx_action()函數)來處理網絡方面的軟中斷。-----------------〉

net_rx_action()根據數據包的協議類型在數組ptype_base[16]里找到相應的協議，并從中知道了接收的處理函數，然后把數據包交給處理函數，這樣就交給了上層處理，實際調用處理函數是通過net_rx_action()里的pt_prev- func()這一句。例如如果數據包是IP協議的話，ptype_base[ETH_P_IP]- func()(ip_rcv()),這樣就把數據包交給了IP協議。根據包的類型，查找系統中注冊了的相應的包處理函數，對于ipv4的ip包，呼叫ip_rcv-------------〉

NF_IP_PRE_ROUTING--------------〉

ip_rcv_finish(進行對此包的路由操作)---------------------〉

根據路由的結果，呼叫ip_local_deliver(給本機的包)/ip_forwardd(要轉發的包)/ip_error()(出現錯誤的包)/ip_mr_input()(多播包的處理)ip_forward：要進行轉發的包，check ttl, mtu, call NF_IP_FORWARDS，--------------〉

ip_forwmard_finish(check other ip options for forwardd!)-------------------〉

ip_send(如果需要分片，則調用ip_fragment，否則調用ip_finish_output()(call NF_IP_POST_ROUTING，然后時ip_finish_output2(填充鏈路層頭部到skb結構中)--------------〉

hh- hh_output/dsr- neighbour- output

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux网络协议栈之数据包处理过程,Linux网络协议栈之数据包处理过程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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