【Linux 内核网络协议栈源码剖析】网络栈主要结构介绍（socket、sock、sk_buff，etc）

原文：http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/46700177

通过前面的分析，可以发现，网络协议栈中的数据处理，都是基于各类结构体，所有有关于网络栈中数据包的状态，地址，端口等信息都封装在对应的结构中，可以说，了解这些数据结构是理解网络栈源码的基础，这里我们就来了解下网络协议栈中的各类数据结构。Linux 1.2.13

1、socket

（include\linux\Socket.h）该结构体socket 主要使用在BSD socket 层，是最上层的结构，在INET socket 层也会有涉及，但很少。

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/*

* Internal representation of a socket. not all the fields are used by

* all configurations:

*

* server client

* conn client connected to server connected to

* iconn list of clients -unused-

* awaiting connections

* wait sleep for clients, sleep for connection,

* sleep for i/o sleep for i/o

*/

//该结构表示一个网络套接字

struct socket {

short type; /* 套接字所用的流类型*/

socket_state state;//套接字所处状态

long flags;//标识字段，目前尚无明确作用

struct proto_ops *ops; /* 操作函数集指针 */

/* data保存指向‘私有'数据结构指针，在不同的域指向不同的数据结构 */

//在INET域，指向sock结构，UNIX域指向unix_proto_data结构

void *data;

//下面两个字段只用于UNIX域

struct socket *conn; /* 指向连接的对端套接字 */

struct socket *iconn; /* 指向正等待连接的客户端(服务器端) */

struct socket *next;//链表

struct wait_queue **wait; /* 等待队列 */

struct inode *inode;//inode结构指针

struct fasync_struct *fasync_list; /* 异步唤醒链表结构 */

};

2、sock

(include\linux\Net.h) sock 的使用范围比socket 要大得多，sock结构的使用基本贯穿硬件层、设备接口层、ip层、INET socket 层，而且是作为各层之间的一个联系，主要是因为无论是发送还是接收的数据包都要被缓存到sock 结构中的缓冲队列中。

sock 结构与其对应的 socket 会相互绑定。

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/*

* This structure really needs to be cleaned up.

* Most of it is for TCP, and not used by any of

* the other protocols.

* 大部分功能是为TCP准备的

*/

struct sock {

struct options *opt;//IP选项缓冲于此处

volatile unsigned long wmem_alloc;//发送缓冲队列中存放的数据的大小，这两个与后面的rcvbuf和sndbuf一起使用

volatile unsigned long rmem_alloc;//接收缓冲队列中存放的数据的大小

/* 下面三个seq用于TCP协议中为保证可靠数据传输而使用的序列号 */

unsigned long write_seq;//

unsigned long sent_seq;//

unsigned long acked_seq;//

unsigned long copied_seq;//应用程序有待读取(但尚未读取)数据的第一个序列号

unsigned long rcv_ack_seq;//目前本地接收到的对本地发送数据的应答序列号

unsigned long window_seq;//窗口大小

unsigned long fin_seq;//应答序列号

//下面两个字段用于紧急数据处理

unsigned long urg_seq;//紧急数据最大序列号

unsigned long urg_data;//标志位，1表示收到紧急数据

/*

* Not all are volatile, but some are, so we

* might as well say they all are.

*/

volatile char inuse,//表示其他进程正在使用该sock结构，本进程需等待

dead,//表示该sock结构已处于释放状态

urginline,//=1，表示紧急数据将被当做普通数据处理

intr,//

blog,

done,

reuse,

keepopen,//=1，使用保活定时器

linger,//=1，表示在关闭套接字时需要等待一段时间以确认其已关闭

delay_acks,//=1，表示延迟应答

destroy,//=1，表示该sock结构等待销毁

ack_timed,

no_check,

zapped, /* In ax25 & ipx means not linked */

broadcast,

nonagle;//=1，表示不使用NAGLE算法

//NAGLE算法:在前一个发送的数据包被应答之前，不可再继续发送其它数据包

unsigned long lingertime;//等待关闭操作的时间

int proc;//该sock结构所属的进程的进程号

struct sock *next;

struct sock *prev; /* Doubly linked chain.. */

struct sock *pair;

//下面两个字段用于TCP协议重发队列

struct sk_buff * volatile send_head;//这个队列中的数据均已经发送出去，但尚未接收到应答

struct sk_buff * volatile send_tail;

struct sk_buff_head back_log;//接收的数据包缓存队列，当套接字正忙时，数据包暂存在这里

struct sk_buff *partial;//用于创建最大长度的待发送数据包

struct timer_list partial_timer;//定时器，用于按时发送partial指针指向的数据包

long retransmits;//重发次数

struct sk_buff_head write_queue,//指向待发送数据包

receive_queue;//读队列，表示数据报已被正式接收，该队列中的数据可被应用程序读取?

struct proto *prot;//传输层处理函数集

struct wait_queue **sleep;

unsigned long daddr;//sock结构所代表套接字的远端地址

unsigned long saddr;//本地地址

unsigned short max_unacked;//最大未处理请求连接数

unsigned short window;//远端窗口大小

unsigned short bytes_rcv;//已接收字节总数

/* mss is min(mtu, max_window) */

unsigned short mtu; //和链路层协议密切相关 /* 最大传输单元 */

volatile unsigned short mss; //最大报文长度 =mtu-ip首部长度-tcp首部长度，也就是tcp数据包每次能够传输的最大数据分段

volatile unsigned short user_mss; /* mss requested by user in ioctl */

volatile unsigned short max_window;//最大窗口大小

unsigned long window_clamp;//窗口大小钳制值

unsigned short num;//本地端口号

//下面三个字段用于拥塞算法

volatile unsigned short cong_window;

volatile unsigned short cong_count;

volatile unsigned short ssthresh;

volatile unsigned short packets_out;//本地已发送出去但尚未得到应答的数据包数目

volatile unsigned short shutdown;//本地关闭标志位，用于半关闭操作

volatile unsigned long rtt;//往返时间估计值

volatile unsigned long mdev;//绝对偏差

volatile unsigned long rto;//用rtt和mdev 用算法计算出的延迟时间值

/* currently backoff isn't used, but I'm maintaining it in case

* we want to go back to a backoff formula that needs it

*/

volatile unsigned short backoff;//退避算法度量值

volatile short err;//错误标志值

unsigned char protocol;//传输层协议值

volatile unsigned char state;//套接字状态值

volatile unsigned char ack_backlog;//缓存的未应答数据包个数

unsigned char max_ack_backlog;//最大缓存的未应答数据包个数

unsigned char priority;//该套接字优先级

unsigned char debug;

unsigned short rcvbuf;//最大接收缓冲区大小

unsigned short sndbuf;//最大发送缓冲区大小

unsigned short type;//类型值如 SOCK_STREAM

unsigned char localroute;//=1,表示只使用本地路由 /* Route locally only */

#ifdef CONFIG_IPX

ipx_address ipx_dest_addr;

ipx_interface *ipx_intrfc;

unsigned short ipx_port;

unsigned short ipx_type;

#endif

#ifdef CONFIG_AX25

/* Really we want to add a per protocol private area */

ax25_address ax25_source_addr,ax25_dest_addr;

struct sk_buff *volatile ax25_retxq[8];

char ax25_state,ax25_vs,ax25_vr,ax25_lastrxnr,ax25_lasttxnr;

char ax25_condition;

char ax25_retxcnt;

char ax25_xx;

char ax25_retxqi;

char ax25_rrtimer;

char ax25_timer;

unsigned char ax25_n2;

unsigned short ax25_t1,ax25_t2,ax25_t3;

ax25_digi *ax25_digipeat;

#endif

#ifdef CONFIG_ATALK

struct atalk_sock at;

#endif

/* IP 'private area' or will be eventually */

int ip_ttl;//ip首部ttl字段值，实际上表示路由器跳数 /* TTL setting */

int ip_tos;//ip首部tos字段值，服务类型值 /* TOS */

struct tcphdr dummy_th;//缓存的tcp首部，在tcp协议中创建一个发送数据包时可以利用此字段快速创建tcp首部

struct timer_list keepalive_timer;//保活定时器，用于探测对方窗口大小，防止对方通报窗口大小的数据包丢弃 /* TCP keepalive hack */

struct timer_list retransmit_timer;//重发定时器，用于数据包超时重发 /* TCP retransmit timer */

struct timer_list ack_timer;//延迟应答定时器 /* TCP delayed ack timer */

int ip_xmit_timeout;//表示定时器超时原因 /* Why the timeout is running */

//用于ip多播

#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST

int ip_mc_ttl; /* Multicasting TTL */

int ip_mc_loop; /* Loopback (not implemented yet) */

char ip_mc_name[MAX_ADDR_LEN]; /* Multicast device name */

struct ip_mc_socklist *ip_mc_list; /* Group array */

#endif

/* This part is used for the timeout functions (timer.c). */

int timeout; /* What are we waiting for? */

struct timer_list timer; /* This is the TIME_WAIT/receive timer when we are doing IP */

struct timeval stamp;

/* identd */

//一个套接在在不同的层次上分别由socket结构和sock结构表示

struct socket *socket;

/* Callbacks *///回调函数

void (*state_change)(struct sock *sk);

void (*data_ready)(struct sock *sk,int bytes);

void (*write_space)(struct sock *sk);

void (*error_report)(struct sock *sk);

};

3、sk_buff

(include\linux\Skbuff.h) sk_buff 是网络数据报在内核中的表现形式，通过源码可以看出，数据包在内核协议栈中是通过这个数据结构来变现的。

从其中的 union 字段可以看出，该结构是贯穿在各个层的，可以说这个结构是用来为网络数据包服务的。其中的字段表明了数据包隶属的套接字、当前所处的协议层、所搭载的数据负载长度（data指针指向）、源端，目的端地址以及相关字段等。

主要重要的一个字段是 data[0]，这是一个指针，它指向对应层的数据报（首部+数据负载）内容的首地址。怎么解释呢？

如果在传输层，那么data指向的数据部分的首地址，其数据部分为 TCP 首部 + 有效数据负载。

如果在网络层，data指向的数据部分的首地址，其数据部分为 IP 首部 + TCP 首部 + 有效数据负载。

如果在链路层，data指向的首地址，其数据布局为 MAC 首部 + IP 首部 + TCP 首部 + 有效数据负载。

所以在该skb_buff结构传递时，获取某一层的首部，都是通过拷贝 data 指向地址对应首部大小的数据。

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//sk_buff 结构用来封装网络数据

//网络栈代码对数据的处理都是以sk_buff 结构为单元进行的

struct sk_buff {

struct sk_buff * volatile next;

struct sk_buff * volatile prev;//构成队列

#if CONFIG_SKB_CHECK

int magic_debug_cookie; //调试用

#endif

struct sk_buff * volatile link3; //构成数据包重发队列

struct sock *sk; //数据包所属的套接字

volatile unsigned long when; //数据包的发送时间，用于计算往返时间RTT/* used to compute rtt's */

struct timeval stamp; //记录时间

struct device *dev; //接收该数据包的接口设备

struct sk_buff *mem_addr; //该sk_buff在内存中的基地址，用于释放该sk_buff结构

//联合类型，表示数据报在不同处理层次上所到达的处理位置

union {

struct tcphdr *th; //传输层tcp，指向首部第一个字节位置

struct ethhdr *eth; //链路层上，指向以太网首部第一个字节位置

struct iphdr *iph; //网络层上，指向ip首部第一个字节位置

struct udphdr *uh; //传输层udp协议，

unsigned char *raw; //随层次变化而变化，链路层=eth，网络层=iph

unsigned long seq; //针对tcp协议的待发送数据包而言，表示该数据包的ACK值

} h;

struct iphdr *ip_hdr; //指向ip首部的指针 /* For IPPROTO_RAW */

unsigned long mem_len; //表示sk_buff结构大小加上数据部分的总长度

unsigned long len; //只表示数据部分长度，len = mem_len - sizeof(sk_buff)

unsigned long fraglen; //分片数据包个数

struct sk_buff *fraglist; /* Fragment list */

unsigned long truesize; //同men_len

unsigned long saddr; //源端ip地址

unsigned long daddr; //目的端ip地址

unsigned long raddr; //数据包下一站ip地址 /* next hop addr */

//标识字段

volatile char acked, //=1，表示数据报已得到确认，可以从重发队列中删除

used, //=1，表示该数据包的数据已被应用程序读完，可以进行释放

free, //用于数据包发送，=1表示再进行发送操作后立即释放，无需缓存

arp; //用于待发送数据包，=1表示已完成MAC首部的建立，=0表示还不知道目的端MAC地址

//已进行tries试发送，该数据包正在被其余部分使用，路由类型，数据包类型

unsigned char tries,lock,localroute,pkt_type;

//下面是数据包的类型，即pkt_type的取值

#define PACKET_HOST 0 //发往本机 /* To us */

#define PACKET_BROADCAST 1 //广播

#define PACKET_MULTICAST 2 //多播

#define PACKET_OTHERHOST 3 //其他机器 /* Unmatched promiscuous */

unsigned short users; //使用该数据包的模块数 /* User count - see datagram.c (and soon seqpacket.c/stream.c) */

unsigned short pkt_class; /* For drivers that need to cache the packet type with the skbuff (new PPP) */

#ifdef CONFIG_SLAVE_BALANCING

unsigned short in_dev_queue; //该字段是否正在缓存于设备缓存队列中

#endif

unsigned long padding[0]; //填充字节

unsigned char data[0]; //指向该层数据部分

//data指向的数据负载首地址，在各个层对应不同的数据部分

//从侧面看出sk_buff结构基本上是贯穿整个网络栈的非常重要的一个数据结构

};

4、device

（include\linux\Netdevice.h）该结构表明了一个网络设备需要的字段信息。

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/*

* The DEVICE structure.

* Actually, this whole structure is a big mistake. It mixes I/O

* data with strictly "high-level" data, and it has to know about

* almost every data structure used in the INET module.

*/

//网络设备结构

struct device

{

/*

* This is the first field of the "visible" part of this structure

* (i.e. as seen by users in the "Space.c" file). It is the name

* the interface.

*/

char *name;//设备名称

/* I/O specific fields - FIXME: Merge these and struct ifmap into one */

unsigned long rmem_end;//设备读缓冲区空间 /* shmem "recv" end */

unsigned long rmem_start; /* shmem "recv" start */

unsigned long mem_end;//设备总缓冲区首地址和尾地址 /* sahared mem end */

unsigned long mem_start; /* shared mem start */

unsigned long base_addr;//设备寄存器读写IO基地址 /* device I/O address */

unsigned char irq; //设备所使用中断号 /* device IRQ number */

/* Low-level status flags. */

volatile unsigned char start,//=1，表示设备已处于工作状态 /* start an operation */

tbusy,//=1，表示设备正忙于数据包发送 /* transmitter busy */

interrupt;//=1，软件正在进行设备中断处理 /* interrupt arrived */

struct device *next;//构成设备队列

/* The device initialization function. Called only once. */

int (*init)(struct device *dev);//设备初始化指针(函数指针)

/* Some hardware also needs these fields, but they are not part of the

usual set specified in Space.c. */

unsigned char if_port;//指定使用的设备端口号 /* Selectable AUI, TP,..*/

unsigned char dma;//设备所用的dma通道号 /* DMA channel */

struct enet_statistics* (*get_stats)(struct device *dev);//设备信息获取函数指针

/*

* This marks the end of the "visible" part of the structure. All

* fields hereafter are internal to the system, and may change at

* will (read: may be cleaned up at will).

*/

/* These may be needed for future network-power-down code. */

unsigned long trans_start;//用于传输超时计算 /* Time (in jiffies) of last Tx */

unsigned long last_rx;//上次接收一个数据包的时间 /* Time of last Rx */

unsigned short flags;//标志位 /* interface flags (a la BSD) */

unsigned short family;//设备所属的域协议 /* address family ID (AF_INET) */

unsigned short metric; /* routing metric (not used) */

unsigned short mtu;//该接口设备的最大传输单元，ip首部+tcp首部+有效数据负载，去掉了以太网帧的帧头 /* interface MTU value*/

unsigned short type;//该设备所属硬件类型 /* interface hardware type */

unsigned short hard_header_len;//硬件首部长度 /* hardware hdr length */

void *priv;//私有数据指针 /* pointer to private data */

/* Interface address info. */

unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN];//链路层硬件广播地址 /* hw bcast add */

unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN];//本设备硬件地址 /* hw address */

unsigned char addr_len;//硬件地址长度 /* hardware address length */

unsigned long pa_addr;//本地ip地址 /* protocol address */

unsigned long pa_brdaddr;//网络层广播ip地址 /* protocol broadcast addr */

unsigned long pa_dstaddr;//点对点网络中对点的ip地址 /* protocol P-P other side addr */

unsigned long pa_mask;//ip地址网络掩码 /* protocol netmask */

unsigned short pa_alen;//ip地址长度 /* protocol address length */

struct dev_mc_list *mc_list;//多播地址链表 /* Multicast mac addresses */

int mc_count;//多播地址数目 /* Number of installed mcasts */

struct ip_mc_list *ip_mc_list;//网络层ip多播地址链表 /* IP multicast filter chain */

/* For load balancing driver pair support */

unsigned long pkt_queue;//该设备缓存的待发送的数据包个数 /* Packets queued */

struct device *slave;//从设备 /* Slave device */

/* Pointer to the interface buffers. */

struct sk_buff_head buffs[DEV_NUMBUFFS];//设备缓存的待发送的数据包

//函数指针

/* Pointers to interface service routines. */

int (*open)(struct device *dev);

int (*stop)(struct device *dev);

int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,

struct device *dev);

int (*hard_header) (unsigned char *buff,

struct device *dev,

unsigned short type,

void *daddr,

void *saddr,

unsigned len,

struct sk_buff *skb);

int (*rebuild_header)(void *eth, struct device *dev,

unsigned long raddr, struct sk_buff *skb);

//用于从接收到的数据包提取MAC首部中类型字符值，从而将数据包传送给适当的协议处理函数进行处理

unsigned short (*type_trans) (struct sk_buff *skb,

struct device *dev);

#define HAVE_MULTICAST

void (*set_multicast_list)(struct device *dev,

int num_addrs, void *addrs);

#define HAVE_SET_MAC_ADDR

int (*set_mac_address)(struct device *dev, void *addr);

#define HAVE_PRIVATE_IOCTL

int (*do_ioctl)(struct device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);

#define HAVE_SET_CONFIG

int (*set_config)(struct device *dev, struct ifmap *map);

};

5、tcp 首部格式

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//tcp首部格式

//http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/44598537

struct tcphdr {

__u16 source;//源端口号

__u16 dest;//目的端口号

__u32 seq;//32位序列号

__u32 ack_seq;//32位确认号

#if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)

__u16 res1:4,//4位首部长度

doff:4,//保留

//下面为各个控制位

fin:1,//最后控制位，表示数据已全部传输完成

syn:1,//同步控制位

rst:1,//重置控制位

psh:1,//推控制位

ack:1,//确认控制位

urg:1,//紧急控制位

res2:2;//

#elif defined(BIG_ENDIAN_BITFIELD)

__u16 doff:4,

res1:4,

res2:2,

urg:1,

ack:1,

psh:1,

rst:1,

syn:1,

fin:1;

#else

#error "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"

#endif

__u16 window;//16位窗口大小

__u16 check;//16位校验和

__u16 urg_ptr;//16位紧急指针

};

6、ip 首部格式

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//ip数据报，首部格式

struct iphdr {

#if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)//如果是小端模式

__u8 ihl:4,//首部长度

version:4;//版本

#elif defined (BIG_ENDIAN_BITFIELD)//大端

__u8 version:4,

ihl:4;

#else

#error "Please fix <asm/byteorder.h>"

#endif

__u8 tos;//区分服务，用语表示数据报的优先级和服务类型

__u16 tot_len;//总长度，标识整个ip数据报的总长度 = 报头+数据部分

__u16 id;//表示ip数据报的标识符

__u16 frag_off;//片偏移

__u8 ttl;//生存时间，即ip数据报在网络中传输的有效期

__u8 protocol;//协议，标识此ip数据报在传输层所采用的协议类型

__u16 check;//首部校验和

__u32 saddr;//源地址

__u32 daddr;//目的地址

/*The options start here. */

};

7、以太网帧帧头格式

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/* This is an Ethernet frame header. */

struct ethhdr {

unsigned char h_dest[ETH_ALEN];//目的地址 /* destination eth addr */

unsigned char h_source[ETH_ALEN];//源地址 /* source ether addr */

unsigned short h_proto;//类型 /* packet type ID field */

};

8、ARP报文报头

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/*

* This structure defines an ethernet arp header.

*/

//ARP报文格式(arp报头)

struct arphdr

{

unsigned short ar_hrd;//硬件类型 /* format of hardware address */

unsigned short ar_pro;//上层协议类型 /* format of protocol address */

unsigned char ar_hln;//MAC地址长度 /* length of hardware address */

unsigned char ar_pln;//协议地址长度 /* length of protocol address */

unsigned short ar_op;//操作类型 /* ARP opcode (command) */

#if 0

/*

* Ethernet looks like this : This bit is variable sized however...

*/

unsigned char ar_sha[ETH_ALEN];//源MAC地址 /* sender hardware address */

unsigned char ar_sip[4];//源IP地址 /* sender IP address */

unsigned char ar_tha[ETH_ALEN];//目的MAC地址 /* target hardware address */

unsigned char ar_tip[4];//目的IP地址 /* target IP address */

#endif

};