46 | 发送网络包（下）：如何表达我们想让合作伙伴做什么？
上一节我们讲网络包的发送，讲了上半部分，也即从VFS层一直到IP层，这一节我们接着看下去，看IP层和MAC层是如何发送数据的。
解析ip_queue_xmit函数
从ip_queue_xmit函数开始，我们就要进入IP层的发送逻辑了。
int ip_queue_xmit(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct flowi *fl){struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);struct net *net = sock_net(sk);struct ip_options_rcu *inet_opt;struct flowi4 *fl4;struct rtable *rt;struct iphdr *iph;int res;inet_opt = rcu_dereference(inet->inet_opt);fl4 = &fl->u.ip4;rt = skb_rtable(skb);/* Make sure we can route this packet. */rt = (struct rtable *)__sk_dst_check(sk, 0);if (!rt) {__be32 daddr;/* Use correct destination address if we have options. */daddr = inet->inet_daddr;......rt = ip_route_output_ports(net, fl4, sk,daddr, inet->inet_saddr,inet->inet_dport,inet->inet_sport,sk->sk_protocol,RT_CONN_FLAGS(sk),sk->sk_bound_dev_if);if (IS_ERR(rt))goto no_route;sk_setup_caps(sk, &rt->dst);}skb_dst_set_noref(skb, &rt->dst);packet_routed:/* OK, we know where to send it, allocate and build IP header. */skb_push(skb, sizeof(struct iphdr) + (inet_opt ? inet_opt->opt.optlen : 0));skb_reset_network_header(skb);iph = ip_hdr(skb);*((__be16 *)iph) = htons((4 << 12) | (5 << 8) | (inet->tos & 0xff));if (ip_dont_fragment(sk, &rt->dst) && !skb->ignore_df)iph->frag_off = htons(IP_DF);elseiph->frag_off = 0;iph->ttl = ip_select_ttl(inet, &rt->dst);iph->protocol = sk->sk_protocol;ip_copy_addrs(iph, fl4);/* Transport layer set skb->h.foo itself. */if (inet_opt && inet_opt->opt.optlen) {iph->ihl += inet_opt->opt.optlen >> 2;ip_options_build(skb, &inet_opt->opt, inet->inet_daddr, rt, 0);}ip_select_ident_segs(net, skb, sk,skb_shinfo(skb)->gso_segs ?: 1);/* TODO : should we use skb->sk here instead of sk ? */skb->priority = sk->sk_priority;skb->mark = sk->sk_mark;res = ip_local_out(net, sk, skb);......}
在ip_queue_xmit中，也即IP层的发送函数里面，有三部分逻辑。
第一部分，选取路由，也即我要发送这个包应该从哪个网卡出去。
这件事情主要由ip_route_output_ports函数完成。接下来的调用链为：ip_route_output_ports->ip_route_output_flow->__ip_route_output_key->ip_route_output_key_hash->ip_route_output_key_hash_rcu。
struct rtable *ip_route_output_key_hash_rcu(struct net *net, struct flowi4 *fl4, struct fib_result *res, const struct sk_buff *skb){struct net_device *dev_out = NULL;int orig_oif = fl4->flowi4_oif;unsigned int flags = 0;struct rtable *rth;......err = fib_lookup(net, fl4, res, 0);......make_route:rth = __mkroute_output(res, fl4, orig_oif, dev_out, flags);......}
ip_route_output_key_hash_rcu先会调用fib_lookup。
FIB全称是Forwarding Information Base，**转发信息表。**其实就是咱们常说的路由表。
static inline int fib_lookup(struct net *net, const struct flowi4 *flp, struct fib_result *res, unsigned int flags){ struct fib_table *tb;......tb = fib_get_table(net, RT_TABLE_MAIN);if (tb)err = fib_table_lookup(tb, flp, res, flags | FIB_LOOKUP_NOREF);......}
路由表可以有多个，一般会有一个主表，RT_TABLE_MAIN。然后fib_table_lookup函数在这个表里面进行查找。
路由表是一个什么样的结构呢？
路由就是在Linux服务器上的路由表里面配置的一条一条规则。这些规则大概是这样的：想访问某个网段，从某个网卡出去，下一跳是某个IP。
之前我们讲过一个简单的拓扑图，里面的三台Linux机器的路由表都可以通过ip route命令查看。
# Linux服务器Adefault via 192.168.1.1 dev eth0192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.100 metric 100# Linux服务器Bdefault via 192.168.2.1 dev eth0192.168.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.2.100 metric 100# Linux服务器做路由器192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.1192.168.2.0/24 dev eth1 proto kernel scope link src 192.168.2.1
其实，对于两端的服务器来讲，我们没有太多路由可以选，但是对于中间的Linux服务器做路由器来讲，这里有两条路可以选，一个是往左面转发，一个是往右面转发，就需要路由表的查找。
fib_table_lookup的代码逻辑比较复杂，好在注释比较清楚。因为路由表要按照前缀进行查询，希望找到最长匹配的那一个，例如192.168.2.0/24和192.168.0.0/16都能匹配192.168.2.100/24。但是，我们应该使用192.168.2.0/24的这一条。
为了更方面的做这个事情，我们使用了Trie树这种结构。比如我们有一系列的字符串：{bcs#, badge#, baby#, back#, badger#, badness#}。之所以每个字符串都加上#，是希望不要一个字符串成为另外一个字符串的前缀。然后我们把它们放在Trie树中，如下图所示：
对于将IP地址转成二进制放入trie树，也是同样的道理，可以很快进行路由的查询。
找到了路由，就知道了应该从哪个网卡发出去。
然后，ip_route_output_key_hash_rcu会调用__mkroute_output，创建一个struct rtable，表示找到的路由表项。这个结构是由rt_dst_alloc函数分配的。
struct rtable *rt_dst_alloc(struct net_device *dev,unsigned int flags, u16 type,bool nopolicy, bool noxfrm, bool will_cache){struct rtable *rt;rt = dst_alloc(&ipv4_dst_ops, dev, 1, DST_OBSOLETE_FORCE_CHK,(will_cache ? 0 : DST_HOST) |(nopolicy ? DST_NOPOLICY : 0) |(noxfrm ? DST_NOXFRM : 0));if (rt) {rt->rt_genid = rt_genid_ipv4(dev_net(dev));rt->rt_flags = flags;rt->rt_type = type;rt->rt_is_input = 0;rt->rt_iif = 0;rt->rt_pmtu = 0;rt->rt_gateway = 0;rt->rt_uses_gateway = 0;rt->rt_table_id = 0;INIT_LIST_HEAD(&rt->rt_uncached);rt->dst.output = ip_output;if (flags & RTCF_LOCAL)rt->dst.input = ip_local_deliver;}return rt;}
最终返回struct rtable实例，第一部分也就完成了。
第二部分，就是准备IP层的头，往里面填充内容。这就要对着IP层的头的格式进行理解。
在这里面，服务类型设置为tos，标识位里面设置是否允许分片frag_off。如果不允许，而遇到MTU太小过不去的情况，就发送ICMP报错。TTL是这个包的存活时间，为了防止一个IP包迷路以后一直存活下去，每经过一个路由器TTL都减一，减为零则“死去”。设置protocol，指的是更上层的协议，这里是TCP。源地址和目标地址由ip_copy_addrs设置。最后，设置options。
第三部分，就是调用ip_local_out发送IP包。
int ip_local_out(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb){int err;err = __ip_local_out(net, sk, skb);if (likely(err == 1))err = dst_output(net, sk, skb);return err;}int __ip_local_out(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb){struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);iph->tot_len = htons(skb->len);skb->protocol = htons(ETH_P_IP);return nf_hook(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT,net, sk, skb, NULL, skb_dst(skb)->dev,dst_output);}
ip_local_out先是调用__ip_local_out，然后里面调用了nf_hook。这是什么呢？nf的意思是Netfilter，这是Linux内核的一个机制，用于在网络发送和转发的关键节点上加上hook函数，这些函数可以截获数据包，对数据包进行干预。
一个著名的实现，就是内核模块ip_tables。在用户态，还有一个客户端程序iptables，用命令行来干预内核的规则。
iptables有表和链的概念，最终要的是两个表。
filter表处理过滤功能，主要包含以下三个链。
- INPUT链：过滤所有目标地址是本机的数据包
- FORWARD链：过滤所有路过本机的数据包
- OUTPUT链：过滤所有由本机产生的数据包
nat表主要处理网络地址转换，可以进行SNAT（改变源地址）、DNAT（改变目标地址），包含以下三个链。
- PREROUTING链：可以在数据包到达时改变目标地址
- OUTPUT链：可以改变本地产生的数据包的目标地址
- POSTROUTING链：在数据包离开时改变数据包的源地址
在这里，网络包马上就要发出去了，因而是NF_INET_LOCAL_OUT，也即ouput链，如果用户曾经在iptables里面写过某些规则，就会在nf_hook这个函数里面起作用。
ip_local_out再调用dst_output，就是真正的发送数据。
/* Output packet to network from transport. */static inline int dst_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb){return skb_dst(skb)->output(net, sk, skb);}
这里调用的就是struct rtable成员dst的ouput函数。在rt_dst_alloc中，我们可以看到，output函数指向的是ip_output。
int ip_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb){struct net_device *dev = skb_dst(skb)->dev;skb->dev = dev;skb->protocol = htons(ETH_P_IP);return NF_HOOK_COND(NFPROTO_IPV4, NF_INET_POST_ROUTING,net, sk, skb, NULL, dev,ip_finish_output,!(IPCB(skb)->flags & IPSKB_REROUTED));}
在ip_output里面，我们又看到了熟悉的NF_HOOK。这一次是NF_INET_POST_ROUTING，也即POSTROUTING链，处理完之后，调用ip_finish_output。
解析ip_finish_output函数
从ip_finish_output函数开始，发送网络包的逻辑由第三层到达第二层。ip_finish_output最终调用ip_finish_output2。
static int ip_finish_output2(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb){struct dst_entry *dst = skb_dst(skb);struct rtable *rt = (struct rtable *)dst;struct net_device *dev = dst->dev;unsigned int hh_len = LL_RESERVED_SPACE(dev);struct neighbour *neigh;u32 nexthop;......nexthop = (__force u32) rt_nexthop(rt, ip_hdr(skb)->daddr);neigh = __ipv4_neigh_lookup_noref(dev, nexthop);if (unlikely(!neigh))neigh = __neigh_create(&arp_tbl, &nexthop, dev, false);if (!IS_ERR(neigh)) {int res;sock_confirm_neigh(skb, neigh);res = neigh_output(neigh, skb);return res;}......}
在ip_finish_output2中，先找到struct rtable路由表里面的下一跳，下一跳一定和本机在同一个局域网中，可以通过二层进行通信，因而通过__ipv4_neigh_lookup_noref，查找如何通过二层访问下一跳。
static inline struct neighbour *__ipv4_neigh_lookup_noref(struct net_device *dev, u32 key){return ___neigh_lookup_noref(&arp_tbl, neigh_key_eq32, arp_hashfn, &key, dev);}
__ipv4_neigh_lookup_noref是从本地的ARP表中查找下一跳的MAC地址。ARP表的定义如下：
struct neigh_table arp_tbl = {.family = AF_INET,.key_len = 4,.protocol = cpu_to_be16(ETH_P_IP),.hash = arp_hash,.key_eq = arp_key_eq,.constructor = arp_constructor,.proxy_redo = parp_redo,.id = "arp_cache",.......gc_interval = 30 * HZ,.gc_thresh1 = 128,.gc_thresh2 = 512,.gc_thresh3 = 1024,};
如果在ARP表中没有找到相应的项，则调用__neigh_create进行创建。
struct neighbour *__neigh_create(struct neigh_table *tbl, const void *pkey, struct net_device *dev, bool want_ref){u32 hash_val;int key_len = tbl->key_len;int error;struct neighbour *n1, *rc, *n = neigh_alloc(tbl, dev);struct neigh_hash_table *nht;memcpy(n->primary_key, pkey, key_len);n->dev = dev;dev_hold(dev);/* Protocol specific setup. */if (tbl->constructor && (error = tbl->constructor(n)) < 0) {......}......if (atomic_read(&tbl->entries) > (1 << nht->hash_shift))nht = neigh_hash_grow(tbl, nht->hash_shift + 1);hash_val = tbl->hash(pkey, dev, nht->hash_rnd) >> (32 - nht->hash_shift);for (n1 = rcu_dereference_protected(nht->hash_buckets[hash_val],lockdep_is_held(&tbl->lock));n1 != NULL;n1 = rcu_dereference_protected(n1->next,lockdep_is_held(&tbl->lock))) {if (dev == n1->dev && !memcmp(n1->primary_key, pkey, key_len)) {if (want_ref)neigh_hold(n1);rc = n1;goto out_tbl_unlock;}}......rcu_assign_pointer(n->next,rcu_dereference_protected(nht->hash_buckets[hash_val],lockdep_is_held(&tbl->lock)));rcu_assign_pointer(nht->hash_buckets[hash_val], n);......}
__neigh_create先调用neigh_alloc，创建一个struct neighbour结构，用于维护MAC地址和ARP相关的信息。这个名字也很好理解，大家都是在一个局域网里面，可以通过MAC地址访问到，当然是邻居了。
static struct neighbour *neigh_alloc(struct neigh_table *tbl, struct net_device *dev){struct neighbour *n = NULL;unsigned long now = jiffies;int entries;......n = kzalloc(tbl->entry_size + dev->neigh_priv_len, GFP_ATOMIC);if (!n)goto out_entries;__skb_queue_head_init(&n->arp_queue);rwlock_init(&n->lock);seqlock_init(&n->ha_lock);n->updated = n->used = now;n->nud_state = NUD_NONE;n->output = neigh_blackhole;seqlock_init(&n->hh.hh_lock);n->parms = neigh_parms_clone(&tbl->parms);setup_timer(&n->timer, neigh_timer_handler, (unsigned long)n);NEIGH_CACHE_STAT_INC(tbl, allocs);n->tbl = tbl;refcount_set(&n->refcnt, 1);n->dead = 1;......}
在neigh_alloc中，我们先分配一个struct neighbour结构并且初始化。这里面比较重要的有两个成员，一个是arp_queue，所以上层想通过ARP获取MAC地址的任务，都放在这个队列里面。另一个是timer定时器，我们设置成，过一段时间就调用neigh_timer_handler，来处理这些ARP任务。
__neigh_create然后调用了arp_tbl的constructor函数，也即调用了arp_constructor，在这里面定义了ARP的操作arp_hh_ops。
static int arp_constructor(struct neighbour *neigh){__be32 addr = *(__be32 *)neigh->primary_key;struct net_device *dev = neigh->dev;struct in_device *in_dev;struct neigh_parms *parms;......neigh->type = inet_addr_type_dev_table(dev_net(dev), dev, addr);parms = in_dev->arp_parms;__neigh_parms_put(neigh->parms);neigh->parms = neigh_parms_clone(parms);......neigh->ops = &arp_hh_ops;......neigh->output = neigh->ops->output;......}static const struct neigh_ops arp_hh_ops = {.family = AF_INET,.solicit = arp_solicit,.error_report = arp_error_report,.output = neigh_resolve_output,.connected_output = neigh_resolve_output,};
__neigh_create最后是将创建的struct neighbour结构放入一个哈希表，从里面的代码逻辑比较容易看出，这是一个数组加链表的链式哈希表，先计算出哈希值hash_val，得到相应的链表，然后循环这个链表找到对应的项，如果找不到就在最后插入一项。
我们回到ip_finish_output2，在__neigh_create之后，会调用neigh_output发送网络包。
static inline int neigh_output(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb){......return n->output(n, skb);}
按照上面对于struct neighbour的操作函数arp_hh_ops 的定义，output调用的是neigh_resolve_output。
int neigh_resolve_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb){if (!neigh_event_send(neigh, skb)) {......rc = dev_queue_xmit(skb);}......}
在neigh_resolve_output里面，首先neigh_event_send触发一个事件，看能否激活ARP。
int __neigh_event_send(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb){int rc;bool immediate_probe = false;if (!(neigh->nud_state & (NUD_STALE | NUD_INCOMPLETE))) {if (NEIGH_VAR(neigh->parms, MCAST_PROBES) +NEIGH_VAR(neigh->parms, APP_PROBES)) {unsigned long next, now = jiffies;atomic_set(&neigh->probes,NEIGH_VAR(neigh->parms, UCAST_PROBES));neigh->nud_state = NUD_INCOMPLETE;neigh->updated = now;next = now + max(NEIGH_VAR(neigh->parms, RETRANS_TIME),HZ/2);neigh_add_timer(neigh, next);immediate_probe = true;}......} else if (neigh->nud_state & NUD_STALE) {neigh_dbg(2, "neigh %p is delayed\n", neigh);neigh->nud_state = NUD_DELAY;neigh->updated = jiffies;neigh_add_timer(neigh, jiffies +NEIGH_VAR(neigh->parms, DELAY_PROBE_TIME));}if (neigh->nud_state == NUD_INCOMPLETE) {if (skb) {.......__skb_queue_tail(&neigh->arp_queue, skb);neigh->arp_queue_len_Bytes += skb->truesize;}rc = 1;}out_unlock_bh:if (immediate_probe)neigh_probe(neigh);.......}
在__neigh_event_send中，激活ARP分两种情况，第一种情况是马上激活，也即immediate_probe。另一种情况是延迟激活则仅仅设置一个timer。然后将ARP包放在arp_queue上。如果马上激活，就直接调用neigh_probe；如果延迟激活，则定时器到了就会触发neigh_timer_handler，在这里面还是会调用neigh_probe。
我们就来看neigh_probe的实现，在这里面会从arp_queue中拿出ARP包来，然后调用struct neighbour的solicit操作。
static void neigh_probe(struct neighbour *neigh)__releases(neigh->lock){struct sk_buff *skb = skb_peek_tail(&neigh->arp_queue);......if (neigh->ops->solicit)neigh->ops->solicit(neigh, skb);......}
按照上面对于struct neighbour的操作函数arp_hh_ops 的定义，solicit调用的是arp_solicit，在这里我们可以找到对于arp_send_dst的调用，创建并发送一个arp包，得到结果放在struct dst_entry里面。
static void arp_send_dst(int type, int ptype, __be32 dest_ip,struct net_device *dev, __be32 src_ip,const unsigned char *dest_hw,const unsigned char *src_hw,const unsigned char *target_hw,struct dst_entry *dst){struct sk_buff *skb;......skb = arp_create(type, ptype, dest_ip, dev, src_ip,dest_hw, src_hw, target_hw);......skb_dst_set(skb, dst_clone(dst));arp_xmit(skb);}
我们回到neigh_resolve_output中，当ARP发送完毕，就可以调用dev_queue_xmit发送二层网络包了。
/*** __dev_queue_xmit - transmit a buffer* @skb: buffer to transmit* @accel_priv: private data used for L2 forwarding offload** Queue a buffer for transmission to a network device.*/static int __dev_queue_xmit(struct sk_buff *skb, void *accel_priv){struct net_device *dev = skb->dev;struct netdev_queue *txq;struct Qdisc *q;......txq = netdev_pick_tx(dev, skb, accel_priv);q = rcu_dereference_bh(txq->qdisc);if (q->enqueue) {rc = __dev_xmit_skb(skb, q, dev, txq);goto out;}......}
就像咱们在讲述硬盘块设备的时候讲过，每个块设备都有队列，用于将内核的数据放到队列里面，然后设备驱动从队列里面取出后，将数据根据具体设备的特性发送给设备。
网络设备也是类似的，对于发送来说，有一个发送队列struct netdev_queue *txq。
这里还有另一个变量叫做struct Qdisc，这个是什么呢？如果我们在一台Linux机器上运行ip addr，我们能看到对于一个网卡，都有下面的输出。
# ip addr1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft foreverinet6 ::1/128 scope hostvalid_lft forever preferred_lft forever2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1400 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000link/ether fa:16:3e:75:99:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 10.173.32.47/21 brd 10.173.39.255 scope global noprefixroute dynamic eth0valid_lft 67104sec preferred_lft 67104secinet6 fe80::f816:3eff:fe75:9908/64 scope linkvalid_lft forever preferred_lft forever
这里面有个关键字qdisc pfifo_fast是什么意思呢？qdisc全称是queueing discipline，中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，都需要按照为这个接口配置的qdisc（排队规则）把数据包加入队列。
最简单的qdisc是pfifo，它不对进入的数据包做任何的处理，数据包采用先入先出的方式通过队列。pfifo_fast稍微复杂一些，它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。
三个波段的优先级也不相同。band 0的优先级最高，band 2的最低。如果band 0里面有数据包，系统就不会处理band 1里面的数据包，band 1和band 2之间也是一样。
数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配到三个波段里面的。TOS是IP头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。
pfifo_fast分为三个先入先出的队列，我们能称为三个Band。根据网络包里面的TOS，看这个包到底应该进入哪个队列。TOS总共四位，每一位表示的意思不同，总共十六种类型。
通过命令行tc qdisc show dev eth0，我们可以输出结果priomap，也是十六个数字。在0到2之间，和TOS的十六种类型对应起来。不同的TOS对应不同的队列。其中Band 0优先级最高，发送完毕后才轮到Band 1发送，最后才是Band 2。
# tc qdisc show dev eth0qdisc pfifo_fast 0: root refcnt 2 bands 3 priomap 1 2 2 2 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
接下来，__dev_xmit_skb开始进行网络包发送。
static inline int __dev_xmit_skb(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *q,struct net_device *dev,struct netdev_queue *txq){......rc = q->enqueue(skb, q, &to_free) & NET_XMIT_MASK;if (qdisc_run_begin(q)) {......__qdisc_run(q);}......}void __qdisc_run(struct Qdisc *q){int quota = dev_tx_weight;int packets;while (qdisc_restart(q, &packets)) {/** Ordered by possible occurrence: Postpone processing if* 1. we've exceeded packet quota* 2. another process needs the CPU;*/quota -= packets;if (quota <= 0 || need_resched()) {__netif_schedule(q);break;}}qdisc_run_end(q);}
__dev_xmit_skb会将请求放入队列，然后调用__qdisc_run处理队列中的数据。qdisc_restart用于数据的发送。根据注释中的说法，qdisc的另一个功能是用于控制网络包的发送速度，因而如果超过速度，就需要重新调度，则会调用__netif_schedule。
static void __netif_reschedule(struct Qdisc *q){struct softnet_data *sd;unsigned long flags;local_irq_save(flags);sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);q->next_sched = NULL;*sd->output_queue_tailp = q;sd->output_queue_tailp = &q->next_sched;raise_softirq_irqoff(NET_TX_SOFTIRQ);local_irq_restore(flags);}
__netif_schedule会调用__netif_reschedule，发起一个软中断NET_TX_SOFTIRQ。咱们讲设备驱动程序的时候讲过，设备驱动程序处理中断，分两个过程，一个是屏蔽中断的关键处理逻辑，一个是延迟处理逻辑。当时说工作队列是延迟处理逻辑的处理方案，软中断也是一种方案。
在系统初始化的时候，我们会定义软中断的处理函数。例如，NET_TX_SOFTIRQ的处理函数是net_tx_action，用于发送网络包。还有一个NET_RX_SOFTIRQ的处理函数是net_rx_action，用于接收网络包。接收网络包的过程咱们下一节解析。
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action);open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action);
这里我们来解析一下net_tx_action。
static __latent_entropy void net_tx_action(struct softirq_action *h){struct softnet_data *sd = this_cpu_ptr(&softnet_data);......if (sd->output_queue) {struct Qdisc *head;local_irq_disable();head = sd->output_queue;sd->output_queue = NULL;sd->output_queue_tailp = &sd->output_queue;local_irq_enable();while (head) {struct Qdisc *q = head;spinlock_t *root_lock;head = head->next_sched;......qdisc_run(q);}}}
我们会发现，net_tx_action还是调用了qdisc_run，还是会调用__qdisc_run，然后调用qdisc_restart发送网络包。
我们来看一下qdisc_restart的实现。
static inline int qdisc_restart(struct Qdisc *q, int *packets){struct netdev_queue *txq;struct net_device *dev;spinlock_t *root_lock;struct sk_buff *skb;bool validate;/* Dequeue packet */skb = dequeue_skb(q, &validate, packets);if (unlikely(!skb))return 0;root_lock = qdisc_lock(q);dev = qdisc_dev(q);txq = skb_get_tx_queue(dev, skb);return sch_direct_xmit(skb, q, dev, txq, root_lock, validate);}
qdisc_restart将网络包从Qdisc的队列中拿下来，然后调用sch_direct_xmit进行发送。
int sch_direct_xmit(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *q,struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq,spinlock_t *root_lock, bool validate){int ret = NETDEV_TX_BUSY;if (likely(skb)) {if (!netif_xmit_frozen_or_stopped(txq))skb = dev_hard_start_xmit(skb, dev, txq, &ret);}......if (dev_xmit_complete(ret)) {/* Driver sent out skb successfully or skb was consumed */ret = qdisc_qlen(q);} else {/* Driver returned NETDEV_TX_BUSY - requeue skb */ret = dev_requeue_skb(skb, q);}......}
在sch_direct_xmit中，调用dev_hard_start_xmit进行发送，如果发送不成功，会返回NETDEV_TX_BUSY。这说明网络卡很忙，于是就调用dev_requeue_skb，重新放入队列。
struct sk_buff *dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *first, struct net_device *dev, struct netdev_queue *txq, int *ret){struct sk_buff *skb = first;int rc = NETDEV_TX_OK;while (skb) {struct sk_buff *next = skb->next;rc = xmit_one(skb, dev, txq, next != NULL);skb = next;if (netif_xmit_stopped(txq) && skb) {rc = NETDEV_TX_BUSY;break;}}......}
在dev_hard_start_xmit中，是一个while循环。每次在队列中取出一个sk_buff，调用xmit_one发送。
接下来的调用链为：xmit_one->netdev_start_xmit->__netdev_start_xmit。
static inline netdev_tx_t __netdev_start_xmit(const struct net_device_ops *ops, struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, bool more){skb->xmit_more = more ? 1 : 0;return ops->ndo_start_xmit(skb, dev);}
这个时候，已经到了设备驱动层了。我们能看到，drivers/net/ethernet/intel/ixgb/ixgb_main.c里面有对于这个网卡的操作的定义。
static const struct net_device_ops ixgb_netdev_ops = {.ndo_open = ixgb_open,.ndo_stop = ixgb_close,.ndo_start_xmit = ixgb_xmit_frame,.ndo_set_rx_mode = ixgb_set_multi,.ndo_validate_addr = eth_validate_addr,.ndo_set_mac_address = ixgb_set_mac,.ndo_change_mtu = ixgb_change_mtu,.ndo_tx_timeout = ixgb_tx_timeout,.ndo_vlan_rx_add_vid = ixgb_vlan_rx_add_vid,.ndo_vlan_rx_kill_vid = ixgb_vlan_rx_kill_vid,.ndo_fix_features = ixgb_fix_features,.ndo_set_features = ixgb_set_features,};
在这里面，我们可以找到对于ndo_start_xmit的定义，调用ixgb_xmit_frame。
static netdev_tx_tixgb_xmit_frame(struct sk_buff *skb, struct net_device *netdev){struct ixgb_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);......if (count) {ixgb_tx_queue(adapter, count, vlan_id, tx_flags);/* Make sure there is space in the ring for the next send. */ixgb_maybe_stop_tx(netdev, &adapter->tx_ring, DESC_NEEDED);}......return NETDEV_TX_OK;}
在ixgb_xmit_frame中，我们会得到这个网卡对应的适配器，然后将其放入硬件网卡的队列中。
至此，整个发送才算结束。
总结时刻
这一节，我们继续解析了发送一个网络包的过程，我们整个过程的图画在了下面。
这个过程分成几个层次。
- VFS层：write系统调用找到struct file，根据里面的file_operations的定义，调用sock_write_iter函数。sock_write_iter函数调用sock_sendmsg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_sendmsg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_sendmsg函数。
- TCP层：tcp_sendmsg函数会调用tcp_write_xmit函数，tcp_write_xmit函数会调用tcp_transmit_skb，在这里实现了TCP层面向连接的逻辑。
- IP层：扩展struct sock，得到struct inet_connection_sock，根据里面icsk_af_ops的定义，调用ip_queue_xmit函数。
- IP层：ip_route_output_ports函数里面会调用fib_lookup查找路由表。FIB全称是Forwarding Information Base，转发信息表，也就是路由表。
- 在IP层里面要做的另一个事情是填写IP层的头。
- 在IP层还要做的一件事情就是通过iptables规则。
- MAC层：IP层调用ip_finish_output进行MAC层。
- MAC层需要ARP获得MAC地址，因而要调用___neigh_lookup_noref查找属于同一个网段的邻居，他会调用neigh_probe发送ARP。
- 有了MAC地址，就可以调用dev_queue_xmit发送二层网络包了，它会调用__dev_xmit_skb会将请求放入队列。
- 设备层：网络包的发送会触发一个软中断NET_TX_SOFTIRQ来处理队列中的数据。这个软中断的处理函数是net_tx_action。
- 在软中断处理函数中，会将网络包从队列上拿下来，调用网络设备的传输函数ixgb_xmit_frame，将网络包发到设备的队列上去。
课堂练习
上一节你应该通过tcpdump看到了TCP包头的格式，这一节，请你查看一下IP包的格式以及ARP的过程。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
