总结时刻
这一节我们讲完了接收网络包，我们来从头串一下，整个过程可以分成以下几个层次。
- 硬件网卡接收到网络包之后，通过 DMA 技术，将网络包放入 Ring Buffer；
- 硬件网卡通过中断通知 CPU 新的网络包的到来；
- 网卡驱动程序会注册中断处理函数 ixgb_intr；
- 中断处理函数处理完需要暂时屏蔽中断的核心流程之后，通过软中断 NET_RX_SOFTIRQ 触发接下来的处理过程；
- NET_RX_SOFTIRQ 软中断处理函数 net_rx_action，net_rx_action 会调用 napi_poll，进而调用 ixgb_clean_rx_irq，从 Ring Buffer 中读取数据到内核 struct sk_buff；
- 调用 netif_receive_skb 进入内核网络协议栈，进行一些关于 VLAN 的二层逻辑处理后，调用 ip_rcv 进入三层 IP 层；
- 在 IP 层，会处理 iptables 规则，然后调用 ip_local_deliver 交给更上层 TCP 层；
- 在 TCP 层调用 tcp_v4_rcv，这里面有三个队列需要处理，如果当前的 Socket 不是正在被读；取，则放入 backlog 队列，如果正在被读取，不需要很实时的话，则放入 prequeue 队列，其他情况调用 tcp_v4_do_rcv；
- 在 tcp_v4_do_rcv 中，如果是处于 TCP_ESTABLISHED 状态，调用 tcp_rcv_established，其他的状态，调用 tcp_rcv_state_process；
- 在 tcp_rcv_established 中，调用 tcp_data_queue，如果序列号能够接的上，则放入 sk_receive_queue 队列；如果序列号接不上，则暂时放入 out_of_order_queue 队列，等序列号能够接上的时候，再放入 sk_receive_queue 队列。
至此内核接收网络包的过程到此结束，接下来就是用户态读取网络包的过程，这个过程分成几个层次。
- VFS 层：read 系统调用找到 struct file，根据里面的 file_operations 的定义，调用 sock_read_iter 函数。sock_read_iter 函数调用 sock_recvmsg 函数。
- Socket 层：从 struct file 里面的 private_data 得到 struct socket，根据里面 ops 的定义，调用 inet_recvmsg 函数。
- Sock 层：从 struct socket 里面的 sk 得到 struct sock，根据里面 sk_prot 的定义，调用 tcp_recvmsg 函数。
- TCP 层：tcp_recvmsg 函数会依次读取 receive_queue 队列、prequeue 队列和 backlog 队列。
如果说网络包的发送是从应用层开始，层层调用，一直到网卡驱动程序的话，网络包的结束过程，就是一个反过来的过程，我们不能从应用层的读取开始，而应该从网卡接收到一个网络包开始。我们用两节来解析这个过程，这一节我们从硬件网卡解析到 IP 层，下一节，我们从 IP 层解析到 Socket 层。
设备驱动层
网卡作为一个硬件，接收到网络包，应该怎么通知操作系统，这个网络包到达了呢？咱们学习过输入输出设备和中断。没错，我们可以触发一个中断。但是这里有个问题，就是网络包的到来，往往是很难预期的。网络吞吐量比较大的时候，网络包的到达会十分频繁。这个时候，如果非常频繁地去触发中断，想想就觉得是个灾难。
比如说，CPU 正在做某个事情，一些网络包来了，触发了中断，CPU 停下手里的事情，去处理这些网络包，处理完毕按照中断处理的逻辑，应该回去继续处理其他事情。这个时候，另一些网络包又来了，又触发了中断，CPU 手里的事情还没捂热，又要停下来去处理网络包。能不能大家要来的一起来，把网络包好好处理一把，然后再回去集中处理其他事情呢？
网络包能不能一起来，这个我们没法儿控制，但是我们可以有一种机制，就是当一些网络包到来触发了中断，内核处理完这些网络包之后，我们可以先进入主动轮询 poll 网卡的方式，主动去接收到来的网络包。如果一直有，就一直处理，等处理告一段落，就返回干其他的事情。当再有下一批网络包到来的时候，再中断，再轮询 poll。这样就会大大减少中断的数量，提升网络处理的效率，这种处理方式我们称为NAPI。
为了帮你了解设备驱动层的工作机制，我们还是以上一节发送网络包时的网卡 drivers/net/ethernet/intel/ixgb/ixgb_main.c 为例子，来进行解析。
static struct pci_driver ixgb_driver = {.name = ixgb_driver_name,.id_table = ixgb_pci_tbl,.probe = ixgb_probe,.remove = ixgb_remove,.err_handler = &ixgb_err_handler};MODULE_AUTHOR("Intel Corporation, <linux.nics@intel.com>");MODULE_DESCRIPTION("Intel(R) PRO/10GbE Network Driver");MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_VERSION(DRV_VERSION);/*** ixgb_init_module - Driver Registration Routine** ixgb_init_module is the first routine called when the driver is* loaded. All it does is register with the PCI subsystem.**/static int __initixgb_init_module(void){pr_info("%s - version %s\n", ixgb_driver_string, ixgb_driver_version);pr_info("%s\n", ixgb_copyright);return pci_register_driver(&ixgb_driver);}module_init(ixgb_init_module);复制代码
在网卡驱动程序初始化的时候，我们会调用 ixgb_init_module，注册一个驱动 ixgb_driver，并且调用它的 probe 函数 ixgb_probe。
static int
ixgb_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
{
struct net_device *netdev = NULL;
struct ixgb_adapter *adapter;
......
netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct ixgb_adapter));
SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev);
pci_set_drvdata(pdev, netdev);
adapter = netdev_priv(netdev);
adapter->netdev = netdev;
adapter->pdev = pdev;
adapter->hw.back = adapter;
adapter->msg_enable = netif_msg_init(debug, DEFAULT_MSG_ENABLE);
adapter->hw.hw_addr = pci_ioremap_bar(pdev, BAR_0);
......
netdev->netdev_ops = &ixgb_netdev_ops;
ixgb_set_ethtool_ops(netdev);
netdev->watchdog_timeo = 5 * HZ;
netif_napi_add(netdev, &adapter->napi, ixgb_clean, 64);
strncpy(netdev->name, pci_name(pdev), sizeof(netdev->name) - 1);
adapter->bd_number = cards_found;
adapter->link_speed = 0;
adapter->link_duplex = 0;
......
}
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在 ixgb_probe 中，我们会创建一个 struct net_device 表示这个网络设备，并且 netif_napi_add 函数为这个网络设备注册一个轮询 poll 函数 ixgb_clean，将来一旦出现网络包的时候，就是要通过他来轮询了。
当一个网卡被激活的时候，我们会调用函数 ixgb_open->ixgb_up，在这里面注册一个硬件的中断处理函数。
int
ixgb_up(struct ixgb_adapter *adapter)
{
struct net_device *netdev = adapter->netdev;
......
err = request_irq(adapter->pdev->irq, ixgb_intr, irq_flags,
netdev->name, netdev);
......
}
/**
* ixgb_intr - Interrupt Handler
* @irq: interrupt number
* @data: pointer to a network interface device structure
**/
static irqreturn_t
ixgb_intr(int irq, void *data)
{
struct net_device *netdev = data;
struct ixgb_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);
struct ixgb_hw *hw = &adapter->hw;
......
if (napi_schedule_prep(&adapter->napi)) {
IXGB_WRITE_REG(&adapter->hw, IMC, ~0);
__napi_schedule(&adapter->napi);
}
return IRQ_HANDLED;
}
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如果一个网络包到来，触发了硬件中断，就会调用 ixgb_intr，这里面会调用 __napi_schedule。
/**
* __napi_schedule - schedule for receive
* @n: entry to schedule
*
* The entry's receive function will be scheduled to run.
* Consider using __napi_schedule_irqoff() if hard irqs are masked.
*/
void __napi_schedule(struct napi_struct *n)
{
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
____napi_schedule(this_cpu_ptr(&softnet_data), n);
local_irq_restore(flags);
}
static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,
struct napi_struct *napi)
{
list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);
__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
}
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napischedule 是处于中断处理的关键部分，在他被调用的时候，中断是暂时关闭的，但是处理网络包是个复杂的过程，需要到延迟处理部分，所以 _napi_schedule 将当前设备放到 struct softnet_data 结构的 poll_list 里面，说明在延迟处理部分可以接着处理这个 poll_list 里面的网络设备。
然后 ____napi_schedule 触发一个软中断 NET_RX_SOFTIRQ，通过软中断触发中断处理的延迟处理部分，也是常用的手段。
上一节，我们知道，软中断 NET_RX_SOFTIRQ 对应的中断处理函数是 net_rx_action。
static __latent_entropy void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);
LIST_HEAD(list);
list_splice_init(&sd->poll_list, &list);
......
for (;;) {
struct napi_struct *n;
......
n = list_first_entry(&list, struct napi_struct, poll_list);
budget -= napi_poll(n, &repoll);
}
......
}
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在 net_rx_action 中，会得到 struct softnet_data 结构，这个结构在发送的时候我们也遇到过。当时它的 output_queue 用于网络包的发送，这里的 poll_list 用于网络包的接收。
struct softnet_data {
struct list_head poll_list;
......
struct Qdisc *output_queue;
struct Qdisc **output_queue_tailp;
......
}
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在 net_rx_action 中，接下来是一个循环，在 poll_list 里面取出网络包到达的设备，然后调用 napi_poll 来轮询这些设备，napi_poll 会调用最初设备初始化的时候，注册的 poll 函数，对于 ixgb_driver，对应的函数是 ixgb_clean。
ixgb_clean 会调用 ixgb_clean_rx_irq。
static bool
ixgb_clean_rx_irq(struct ixgb_adapter *adapter, int *work_done, int work_to_do)
{
struct ixgb_desc_ring *rx_ring = &adapter->rx_ring;
struct net_device *netdev = adapter->netdev;
struct pci_dev *pdev = adapter->pdev;
struct ixgb_rx_desc *rx_desc, *next_rxd;
struct ixgb_buffer *buffer_info, *next_buffer, *next2_buffer;
u32 length;
unsigned int i, j;
int cleaned_count = 0;
bool cleaned = false;
i = rx_ring->next_to_clean;
rx_desc = IXGB_RX_DESC(*rx_ring, i);
buffer_info = &rx_ring->buffer_info[i];
while (rx_desc->status & IXGB_RX_DESC_STATUS_DD) {
struct sk_buff *skb;
u8 status;
status = rx_desc->status;
skb = buffer_info->skb;
buffer_info->skb = NULL;
prefetch(skb->data - NET_IP_ALIGN);
if (++i == rx_ring->count)
i = 0;
next_rxd = IXGB_RX_DESC(*rx_ring, i);
prefetch(next_rxd);
j = i + 1;
if (j == rx_ring->count)
j = 0;
next2_buffer = &rx_ring->buffer_info[j];
prefetch(next2_buffer);
next_buffer = &rx_ring->buffer_info[i];
......
length = le16_to_cpu(rx_desc->length);
rx_desc->length = 0;
......
ixgb_check_copybreak(&adapter->napi, buffer_info, length, &skb);
/* Good Receive */
skb_put(skb, length);
/* Receive Checksum Offload */
ixgb_rx_checksum(adapter, rx_desc, skb);
skb->protocol = eth_type_trans(skb, netdev);
netif_receive_skb(skb);
......
/* use prefetched values */
rx_desc = next_rxd;
buffer_info = next_buffer;
}
rx_ring->next_to_clean = i;
......
}
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在网络设备的驱动层，有一个用于接收网络包的 rx_ring。它是一个环，从网卡硬件接收的包会放在这个环里面。这个环里面的 buffer_info[] 是一个数组，存放的是网络包的内容。i 和 j 是这个数组的下标，在 ixgb_clean_rx_irq 里面的 while 循环中，依次处理环里面的数据。在这里面，我们看到了 i 和 j 加一之后，如果超过了数组的大小，就跳回下标 0，就说明这是一个环。
ixgb_check_copybreak 函数将 buffer_info 里面的内容，拷贝到 struct sk_buff *skb，从而可以作为一个网络包进行后续的处理，然后调用 netif_receive_skb。
网络协议栈的二层逻辑
从 netif_receive_skb 函数开始，我们就进入了内核的网络协议栈。
接下来的调用链为：netif_receive_skb->netif_receive_skb_internal->netif_receive_skb->netif_receive_skb_core。
在 __netif_receive_skb_core 中，我们先是处理了二层的一些逻辑。例如，对于 VLAN 的处理，接下来要想办法交给第三层。
static int __netif_receive_skb_core(struct sk_buff *skb, bool pfmemalloc)
{
struct packet_type *ptype, *pt_prev;
......
type = skb->protocol;
......
deliver_ptype_list_skb(skb, &pt_prev, orig_dev, type,
&orig_dev->ptype_specific);
if (pt_prev) {
ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev, orig_dev);
}
......
}
static inline void deliver_ptype_list_skb(struct sk_buff *skb,
struct packet_type **pt,
struct net_device *orig_dev,
__be16 type,
struct list_head *ptype_list)
{
struct packet_type *ptype, *pt_prev = *pt;
list_for_each_entry_rcu(ptype, ptype_list, list) {
if (ptype->type != type)
continue;
if (pt_prev)
deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
pt_prev = ptype;
}
*pt = pt_prev;
}
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在网络包 struct sk_buff 里面，二层的头里面有一个 protocol，表示里面一层，也即三层是什么协议。deliver_ptype_list_skb 在一个协议列表中逐个匹配。如果能够匹配到，就返回。
这些协议的注册在网络协议栈初始化的时候， inet_init 函数调用 dev_add_pack(&ip_packet_type)，添加 IP 协议。协议被放在一个链表里面。
void dev_add_pack(struct packet_type *pt)
{
struct list_head *head = ptype_head(pt);
list_add_rcu(&pt->list, head);
}
static inline struct list_head *ptype_head(const struct packet_type *pt)
{
if (pt->type == htons(ETH_P_ALL))
return pt->dev ? &pt->dev->ptype_all : &ptype_all;
else
return pt->dev ? &pt->dev->ptype_specific : &ptype_base[ntohs(pt->type) & PTYPE_HASH_MASK];
}
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假设这个时候的网络包是一个 IP 包，则在这个链表里面一定能够找到 ip_packet_type，在 __netif_receive_skb_core 中会调用 ip_packet_type 的 func 函数。
static struct packet_type ip_packet_type __read_mostly = {
.type = cpu_to_be16(ETH_P_IP),
.func = ip_rcv,
};
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网络协议栈的 IP 层
从 ip_rcv 函数开始，我们的处理逻辑就从二层到了三层，IP 层。
int ip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev)
{
const struct iphdr *iph;
struct net *net;
u32 len;
......
net = dev_net(dev);
......
iph = ip_hdr(skb);
len = ntohs(iph->tot_len);
skb->transport_header = skb->network_header + iph->ihl*4;
......
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_PRE_ROUTING,
net, NULL, skb, dev, NULL,
ip_rcv_finish);
......
}
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在 ip_rcv 中，得到 IP 头，然后又遇到了我们见过多次的 NF_HOOK，这次因为是接收网络包，第一个 hook 点是 NF_INET_PRE_ROUTING，也就是 iptables 的 PREROUTING 链。如果里面有规则，则执行规则，然后调用 ip_rcv_finish。
static int ip_rcv_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
struct net_device *dev = skb->dev;
struct rtable *rt;
int err;
......
rt = skb_rtable(skb);
.....
return dst_input(skb);
}
static inline int dst_input(struct sk_buff *skb)
{
return skb_dst(skb)->input(skb);
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ip_rcv_finish 得到网络包对应的路由表，然后调用 dst_input，在 dst_input 中，调用的是 struct rtable 的成员的 dst 的 input 函数。在 rt_dst_alloc 中，我们可以看到，input 函数指向的是 ip_local_deliver。
int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb)
{
/*
* Reassemble IP fragments.
*/
struct net *net = dev_net(skb->dev);
if (ip_is_fragment(ip_hdr(skb))) {
if (ip_defrag(net, skb, IP_DEFRAG_LOCAL_DELIVER))
return 0;
}
return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_IN,
net, NULL, skb, skb->dev, NULL,
ip_local_deliver_finish);
}
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在 ip_local_deliver 函数中，如果 IP 层进行了分段，则进行重新的组合。接下来就是我们熟悉的 NF_HOOK。hook 点在 NF_INET_LOCAL_IN，对应 iptables 里面的 INPUT 链。在经过 iptables 规则处理完毕后，我们调用 ip_local_deliver_finish。
static int ip_local_deliver_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
__skb_pull(skb, skb_network_header_len(skb));
int protocol = ip_hdr(skb)->protocol;
const struct net_protocol *ipprot;
ipprot = rcu_dereference(inet_protos[protocol]);
if (ipprot) {
int ret;
ret = ipprot->handler(skb);
......
}
......
}
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在 IP 头中，有一个字段 protocol 用于指定里面一层的协议，在这里应该是 TCP 协议。于是，从 inet_protos 数组中，找出 TCP 协议对应的处理函数。这个数组的定义如下，里面的内容是 struct net_protocol。
struct net_protocol __rcu *inet_protos[MAX_INET_PROTOS] __read_mostly;
int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol)
{
......
return !cmpxchg((const struct net_protocol **)&inet_protos[protocol],
NULL, prot) ? 0 : -1;
}
static int __init inet_init(void)
{
......
if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
pr_crit("%s: Cannot add UDP protocol\n", __func__);
if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol\n", __func__);
......
}
static struct net_protocol tcp_protocol = {
.early_demux = tcp_v4_early_demux,
.early_demux_handler = tcp_v4_early_demux,
.handler = tcp_v4_rcv,
.err_handler = tcp_v4_err,
.no_policy = 1,
.netns_ok = 1,
.icmp_strict_tag_validation = 1,
};
static struct net_protocol udp_protocol = {
.early_demux = udp_v4_early_demux,
.early_demux_handler = udp_v4_early_demux,
.handler = udp_rcv,
.err_handler = udp_err,
.no_policy = 1,
.netns_ok = 1,
};
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在系统初始化的时候，网络协议栈的初始化调用的是 inet_init，它会调用 inet_add_protocol，将 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol、UDP 协议对应的处理函数 udp_protocol，放到 inet_protos 数组中。
在上面的网络包的接收过程中，会取出 TCP 协议对应的处理函数 tcp_protocol，然后调用 handler 函数，也即 tcp_v4_rcv 函数。
网络协议栈的 TCP 层
从 tcp_v4_rcv 函数开始，我们的处理逻辑就从 IP 层到了 TCP 层。
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
struct net *net = dev_net(skb->dev);
const struct iphdr *iph;
const struct tcphdr *th;
bool refcounted;
struct sock *sk;
int ret;
......
th = (const struct tcphdr *)skb->data;
iph = ip_hdr(skb);
......
TCP_SKB_CB(skb)->seq = ntohl(th->seq);
TCP_SKB_CB(skb)->end_seq = (TCP_SKB_CB(skb)->seq + th->syn + th->fin + skb->len - th->doff * 4);
TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq = ntohl(th->ack_seq);
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags = tcp_flag_byte(th);
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_tw_isn = 0;
TCP_SKB_CB(skb)->ip_dsfield = ipv4_get_dsfield(iph);
TCP_SKB_CB(skb)->sacked = 0;
lookup:
sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, __tcp_hdrlen(th), th->source, th->dest, &refcounted);
process:
if (sk->sk_state == TCP_TIME_WAIT)
goto do_time_wait;
if (sk->sk_state == TCP_NEW_SYN_RECV) {
......
}
......
th = (const struct tcphdr *)skb->data;
iph = ip_hdr(skb);
skb->dev = NULL;
if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
ret = tcp_v4_do_rcv(sk, skb);
goto put_and_return;
}
......
if (!sock_owned_by_user(sk)) {
if (!tcp_prequeue(sk, skb))
ret = tcp_v4_do_rcv(sk, skb);
} else if (tcp_add_backlog(sk, skb)) {
goto discard_and_relse;
}
......
}
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在 tcp_v4_rcv 中，得到 TCP 的头之后，我们可以开始处理 TCP 层的事情。因为 TCP 层是分状态的，状态被维护在数据结构 struct sock 里面，因而我们要根据 IP 地址以及 TCP 头里面的内容，在 tcp_hashinfo 中找到这个包对应的 struct sock，从而得到这个包对应的连接的状态。
接下来，我们就根据不同的状态做不同的处理，例如，上面代码中的 TCP_LISTEN、TCP_NEW_SYN_RECV 状态属于连接建立过程中。这个我们在讲三次握手的时候讲过了。再如，TCP_TIME_WAIT 状态是连接结束的时候的状态，这个我们暂时可以不用看。
接下来，我们来分析最主流的网络包的接收过程，这里面涉及三个队列：
- backlog 队列
- prequeue 队列
- sk_receive_queue 队列
为什么接收网络包的过程，需要在这三个队列里面倒腾过来、倒腾过去呢？这是因为，同样一个网络包要在三个主体之间交接。
第一个主体是软中断的处理过程。如果你没忘记的话，我们在执行 tcp_v4_rcv 函数的时候，依然处于软中断的处理逻辑里，所以必然会占用这个软中断。
第二个主体就是用户态进程。如果用户态触发系统调用 read 读取网络包，也要从队列里面找。
第三个主体就是内核协议栈。哪怕用户进程没有调用 read，读取网络包，当网络包来的时候，也得有一个地方收着呀。
这时候，我们就能够了解上面代码中 sock_owned_by_user 的意思了，其实就是说，当前这个 sock 是不是正有一个用户态进程等着读数据呢，如果没有，内核协议栈也调用 tcp_add_backlog，暂存在 backlog 队列中，并且抓紧离开软中断的处理过程。
如果有一个用户态进程等待读取数据呢？我们先调用 tcp_prequeue，也即赶紧放入 prequeue 队列，并且离开软中断的处理过程。在这个函数里面，我们会看到对于 sysctl_tcp_low_latency 的判断，也即是不是要低时延地处理网络包。
如果把 sysctl_tcp_low_latency 设置为 0，那就要放在 prequeue 队列中暂存，这样不用等待网络包处理完毕，就可以离开软中断的处理过程，但是会造成比较长的时延。如果把 sysctl_tcp_low_latency 设置为 1，我们还是调用 tcp_v4_do_rcv。
int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct sock *rsk;
if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED) { /* Fast path */
struct dst_entry *dst = sk->sk_rx_dst;
......
tcp_rcv_established(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len);
return 0;
}
......
if (tcp_rcv_state_process(sk, skb)) {
......
}
return 0;
......
}
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在 tcp_v4_do_rcv 中，分两种情况，一种情况是连接已经建立，处于 TCP_ESTABLISHED 状态，调用 tcp_rcv_established。另一种情况，就是其他的状态，调用 tcp_rcv_state_process。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
struct request_sock *req;
int queued = 0;
bool acceptable;
switch (sk->sk_state) {
case TCP_CLOSE:
......
case TCP_LISTEN:
......
case TCP_SYN_SENT:
......
}
......
switch (sk->sk_state) {
case TCP_SYN_RECV:
......
case TCP_FIN_WAIT1:
......
case TCP_CLOSING:
......
case TCP_LAST_ACK:
......
}
/* step 7: process the segment text */
switch (sk->sk_state) {
case TCP_CLOSE_WAIT:
case TCP_CLOSING:
case TCP_LAST_ACK:
......
case TCP_FIN_WAIT1:
case TCP_FIN_WAIT2:
......
case TCP_ESTABLISHED:
......
}
}
复制代码
在 tcp_rcv_state_process 中，如果我们对着 TCP 的状态图进行比对，能看到，对于 TCP 所有状态的处理，其中和连接建立相关的状态，咱们已经分析过，所以我们重点关注连接状态下的工作模式。
在连接状态下，我们会调用 tcp_rcv_established。在这个函数里面，我们会调用 tcp_data_queue，将其放入 sk_receive_queue 队列进行处理。
static void tcp_data_queue(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
bool fragstolen = false;
......
if (TCP_SKB_CB(skb)->seq == tp->rcv_nxt) {
if (tcp_receive_window(tp) == 0)
goto out_of_window;
/* Ok. In sequence. In window. */
if (tp->ucopy.task == current &&
tp->copied_seq == tp->rcv_nxt && tp->ucopy.len &&
sock_owned_by_user(sk) && !tp->urg_data) {
int chunk = min_t(unsigned int, skb->len,
tp->ucopy.len);
__set_current_state(TASK_RUNNING);
if (!skb_copy_datagram_msg(skb, 0, tp->ucopy.msg, chunk)) {
tp->ucopy.len -= chunk;
tp->copied_seq += chunk;
eaten = (chunk == skb->len);
tcp_rcv_space_adjust(sk);
}
}
if (eaten <= 0) {
queue_and_out:
......
eaten = tcp_queue_rcv(sk, skb, 0, &fragstolen);
}
tcp_rcv_nxt_update(tp, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq);
......
if (!RB_EMPTY_ROOT(&tp->out_of_order_queue)) {
tcp_ofo_queue(sk);
......
}
......
return;
}
if (!after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq, tp->rcv_nxt)) {
/* A retransmit, 2nd most common case. Force an immediate ack. */
tcp_dsack_set(sk, TCP_SKB_CB(skb)->seq, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq);
out_of_window:
tcp_enter_quickack_mode(sk);
inet_csk_schedule_ack(sk);
drop:
tcp_drop(sk, skb);
return;
}
/* Out of window. F.e. zero window probe. */
if (!before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt + tcp_receive_window(tp)))
goto out_of_window;
tcp_enter_quickack_mode(sk);
if (before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt)) {
/* Partial packet, seq < rcv_next < end_seq */
tcp_dsack_set(sk, TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt);
/* If window is closed, drop tail of packet. But after
* remembering D-SACK for its head made in previous line.
*/
if (!tcp_receive_window(tp))
goto out_of_window;
goto queue_and_out;
}
tcp_data_queue_ofo(sk, skb);
}
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在 tcp_data_queue 中，对于收到的网络包，我们要分情况进行处理。
第一种情况，seq == tp->rcv_nxt，说明来的网络包正是我服务端期望的下一个网络包。这个时候我们判断 sock_owned_by_user，也即用户进程也是正在等待读取，这种情况下，就直接 skb_copy_datagram_msg，将网络包拷贝给用户进程就可以了。
如果用户进程没有正在等待读取，或者因为内存原因没有能够拷贝成功，tcp_queue_rcv 里面还是将网络包放入 sk_receive_queue 队列。
接下来，tcp_rcv_nxt_update 将 tp->rcv_nxt 设置为 end_seq，也即当前的网络包接收成功后，更新下一个期待的网络包。
这个时候，我们还会判断一下另一个队列，out_of_order_queue，也看看乱序队列的情况，看看乱序队列里面的包，会不会因为这个新的网络包的到来，也能放入到 sk_receive_queue 队列中。
例如，客户端发送的网络包序号为 5、6、7、8、9。在 5 还没有到达的时候，服务端的 rcv_nxt 应该是 5，也即期望下一个网络包是 5。但是由于中间网络通路的问题，5、6 还没到达服务端，7、8 已经到达了服务端了，这就出现了乱序。
乱序的包不能进入 sk_receive_queue 队列。因为一旦进入到这个队列，意味着可以发送给用户进程。然而，按照 TCP 的定义，用户进程应该是按顺序收到包的，没有排好序，就不能给用户进程。所以，7、8 不能进入 sk_receive_queue 队列，只能暂时放在 out_of_order_queue 乱序队列中。
当 5、6 到达的时候，5、6 先进入 sk_receive_queue 队列。这个时候我们再来看 out_of_order_queue 乱序队列中的 7、8，发现能够接上。于是，7、8 也能进入 sk_receive_queue 队列了。tcp_ofo_queue 函数就是做这个事情的。
至此第一种情况处理完毕。
第二种情况，end_seq 不大于 rcv_nxt，也即服务端期望网络包 5。但是，来了一个网络包 3，怎样才会出现这种情况呢？肯定是服务端早就收到了网络包 3，但是 ACK 没有到达客户端，中途丢了，那客户端就认为网络包 3 没有发送成功，于是又发送了一遍，这种情况下，要赶紧给客户端再发送一次 ACK，表示早就收到了。
第三种情况，seq 不小于 rcv_nxt + tcp_receive_window。这说明客户端发送得太猛了。本来 seq 肯定应该在接收窗口里面的，这样服务端才来得及处理，结果现在超出了接收窗口，说明客户端一下子把服务端给塞满了。
这种情况下，服务端不能再接收数据包了，只能发送 ACK 了，在 ACK 中会将接收窗口为 0 的情况告知客户端，客户端就知道不能再发送了。这个时候双方只能交互窗口探测数据包，直到服务端因为用户进程把数据读走了，空出接收窗口，才能在 ACK 里面再次告诉客户端，又有窗口了，又能发送数据包了。
第四种情况，seq 小于 rcv_nxt，但是 end_seq 大于 rcv_nxt，这说明从 seq 到 rcv_nxt 这部分网络包原来的 ACK 客户端没有收到，所以重新发送了一次，从 rcv_nxt 到 end_seq 时新发送的，可以放入 sk_receive_queue 队列。
当前四种情况都排除掉了，说明网络包一定是一个乱序包了。这里有点儿难理解，我们还是用上面那个乱序的例子仔细分析一下 rcv_nxt=5。
我们假设 tcp_receive_window 也是 5，也即超过 10 服务端就接收不了了。当前来的这个网络包既不在 rcv_nxt 之前（不是 3 这种），也不在 rcv_nxt + tcp_receive_window 之后（不是 11 这种），说明这正在我们期望的接收窗口里面，但是又不是 rcv_nxt（不是我们马上期望的网络包 5），这正是上面的例子中网络包 7、8 的情况。
对于网络包 7、8，我们只好调用 tcp_data_queue_ofo 进入 out_of_order_queue 乱序队列，但是没有关系，当网络包 5、6 到来的时候，我们会走第一种情况，把 7、8 拿出来放到 sk_receive_queue 队列中。
至此，网络协议栈的处理过程就结束了。
Socket 层
当接收的网络包进入各种队列之后，接下来我们就要等待用户进程去读取它们了。
读取一个 socket，就像读取一个文件一样，读取 socket 的文件描述符，通过 read 系统调用。
read 系统调用对于一个文件描述符的操作，大致过程都是类似的，在文件系统那一节，我们已经详细解析过。最终它会调用到用来表示一个打开文件的结构 stuct file 指向的 file_operations 操作。
对于 socket 来讲，它的 file_operations 定义如下：
static const struct file_operations socket_file_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.read_iter = sock_read_iter,
.write_iter = sock_write_iter,
.poll = sock_poll,
.unlocked_ioctl = sock_ioctl,
.mmap = sock_mmap,
.release = sock_close,
.fasync = sock_fasync,
.sendpage = sock_sendpage,
.splice_write = generic_splice_sendpage,
.splice_read = sock_splice_read,
};
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按照文件系统的读取流程，调用的是 sock_read_iter。
static ssize_t sock_read_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *to)
{
struct file *file = iocb->ki_filp;
struct socket *sock = file->private_data;
struct msghdr msg = {.msg_iter = *to,
.msg_iocb = iocb};
ssize_t res;
if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
msg.msg_flags = MSG_DONTWAIT;
......
res = sock_recvmsg(sock, &msg, msg.msg_flags);
*to = msg.msg_iter;
return res;
}
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在 sock_read_iter 中，通过 VFS 中的 struct file，将创建好的 socket 结构拿出来，然后调用 sock_recvmsg，sock_recvmsg 会调用 sock_recvmsg_nosec。
static inline int sock_recvmsg_nosec(struct socket *sock, struct msghdr *msg, int flags)
{
return sock->ops->recvmsg(sock, msg, msg_data_left(msg), flags);
}
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这里调用了 socket 的 ops 的 recvmsg，这个我们遇到好几次了。根据 inet_stream_ops 的定义，这里调用的是 inet_recvmsg。
int inet_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size,
int flags)
{
struct sock *sk = sock->sk;
int addr_len = 0;
int err;
......
err = sk->sk_prot->recvmsg(sk, msg, size, flags & MSG_DONTWAIT,
flags & ~MSG_DONTWAIT, &addr_len);
......
}
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这里面，从 socket 结构，我们可以得到更底层的 sock 结构，然后调用 sk_prot 的 recvmsg 方法。这个同样遇到好几次了，根据 tcp_prot 的定义，调用的是 tcp_recvmsg。
int tcp_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len, int nonblock,
int flags, int *addr_len)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
int copied = 0;
u32 peek_seq;
u32 *seq;
unsigned long used;
int err;
int target; /* Read at least this many bytes */
long timeo;
struct task_struct *user_recv = NULL;
struct sk_buff *skb, *last;
.....
do {
u32 offset;
......
/* Next get a buffer. */
last = skb_peek_tail(&sk->sk_receive_queue);
skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) {
last = skb;
offset = *seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq;
if (offset < skb->len)
goto found_ok_skb;
......
}
......
if (!sysctl_tcp_low_latency && tp->ucopy.task == user_recv) {
/* Install new reader */
if (!user_recv && !(flags & (MSG_TRUNC | MSG_PEEK))) {
user_recv = current;
tp->ucopy.task = user_recv;
tp->ucopy.msg = msg;
}
tp->ucopy.len = len;
/* Look: we have the following (pseudo)queues:
*
* 1. packets in flight
* 2. backlog
* 3. prequeue
* 4. receive_queue
*
* Each queue can be processed only if the next ones
* are empty.
*/
if (!skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue))
goto do_prequeue;
}
if (copied >= target) {
/* Do not sleep, just process backlog. */
release_sock(sk);
lock_sock(sk);
} else {
sk_wait_data(sk, &timeo, last);
}
if (user_recv) {
int chunk;
chunk = len - tp->ucopy.len;
if (chunk != 0) {
len -= chunk;
copied += chunk;
}
if (tp->rcv_nxt == tp->copied_seq &&
!skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue)) {
do_prequeue:
tcp_prequeue_process(sk);
chunk = len - tp->ucopy.len;
if (chunk != 0) {
len -= chunk;
copied += chunk;
}
}
}
continue;
found_ok_skb:
/* Ok so how much can we use? */
used = skb->len - offset;
if (len < used)
used = len;
if (!(flags & MSG_TRUNC)) {
err = skb_copy_datagram_msg(skb, offset, msg, used);
......
}
*seq += used;
copied += used;
len -= used;
tcp_rcv_space_adjust(sk);
......
} while (len > 0);
......
}
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tcp_recvmsg 这个函数比较长，里面逻辑也很复杂，好在里面有一段注释概扩了这里面的逻辑。注释里面提到了三个队列，receive_queue 队列、prequeue 队列和 backlog 队列。这里面，我们需要把前一个队列处理完毕，才处理后一个队列。
tcp_recvmsg 的整个逻辑也是这样执行的：这里面有一个 while 循环，不断地读取网络包。
这里，我们会先处理 sk_receive_queue 队列。如果找到了网络包，就跳到 found_ok_skb 这里。这里会调用 skb_copy_datagram_msg，将网络包拷贝到用户进程中，然后直接进入下一层循环。
直到 sk_receive_queue 队列处理完毕，我们才到了 sysctl_tcp_low_latency 判断。如果不需要低时延，则会有 prequeue 队列。于是，我们能就跳到 do_prequeue 这里，调用 tcp_prequeue_process 进行处理。
如果 sysctl_tcp_low_latency 设置为 1，也即没有 prequeue 队列，或者 prequeue 队列为空，则需要处理 backlog 队列，在 release_sock 函数中处理。
release_sock 会调用 __release_sock，这里面会依次处理队列中的网络包。
void release_sock(struct sock *sk)
{
......
if (sk->sk_backlog.tail)
__release_sock(sk);
......
}
static void __release_sock(struct sock *sk)
__releases(&sk->sk_lock.slock)
__acquires(&sk->sk_lock.slock)
{
struct sk_buff *skb, *next;
while ((skb = sk->sk_backlog.head) != NULL) {
sk->sk_backlog.head = sk->sk_backlog.tail = NULL;
do {
next = skb->next;
prefetch(next);
skb->next = NULL;
sk_backlog_rcv(sk, skb);
cond_resched();
skb = next;
} while (skb != NULL);
}
......
}
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最后，哪里都没有网络包，我们只好调用 sk_wait_data，继续等待在哪里，等待网络包的到来。
至此，网络包的接收过程到此结束。
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