# 45 | 发送网络包（上）：如何表达我们想让合作伙伴做什么？ 上一节，我们通过socket函数、bind函数、listen函数、accept函数以及connect函数，在内核建立好了数据结构，并完成了TCP连接建立的三次握手过程。 这一节，我们接着来分析，发送一个网络包的过程。 ## 解析socket的Write操作 socket对于用户来讲，是一个文件一样的存在，拥有一个文件描述符。因而对于网络包的发送，我们可以使用对于socket文件的写入系统调用，也就是write系统调用。 write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，这里不再多说。对于每一个打开的文件都有一个struct file结构，write系统调用会最终调用stuct file结构指向的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, }; ``` 按照文件系统的写入流程，调用的是sock\_write\_iter。 ``` static ssize_t sock_write_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *from) { struct file *file = iocb->ki_filp; struct socket *sock = file->private_data; struct msghdr msg = {.msg_iter = *from, .msg_iocb = iocb}; ssize_t res; ...... res = sock_sendmsg(sock, &msg); *from = msg.msg_iter; return res; } ``` 在sock\_write\_iter中，我们通过VFS中的struct file，将创建好的socket结构拿出来，然后调用sock\_sendmsg。而sock\_sendmsg会调用sock\_sendmsg\_nosec。 ``` static inline int sock_sendmsg_nosec(struct socket *sock, struct msghdr *msg) { int ret = sock->ops->sendmsg(sock, msg, msg_data_left(msg)); ...... } ``` 这里调用了socket的ops的sendmsg，我们在上一节已经遇到它好几次了。根据inet\_stream\_ops的定义，我们这里调用的是inet\_sendmsg。 ``` int inet_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size) { struct sock *sk = sock->sk; ...... return sk->sk_prot->sendmsg(sk, msg, size); } ``` 这里面，从socket结构中，我们可以得到更底层的sock结构，然后调用sk\_prot的sendmsg方法。这个我们同样在上一节遇到好几次了。 ## 解析tcp\_sendmsg函数 根据tcp\_prot的定义，我们调用的是tcp\_sendmsg。 ``` int tcp_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); struct sk_buff *skb; int flags, err, copied = 0; int mss_now = 0, size_goal, copied_syn = 0; long timeo; ...... /* Ok commence sending. */ copied = 0; restart: mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags); while (msg_data_left(msg)) { int copy = 0; int max = size_goal; skb = tcp_write_queue_tail(sk); if (tcp_send_head(sk)) { if (skb->ip_summed == CHECKSUM_NONE) max = mss_now; copy = max - skb->len; } if (copy <= 0 || !tcp_skb_can_collapse_to(skb)) { bool first_skb; new_segment: /* Allocate new segment. If the interface is SG, * allocate skb fitting to single page. */ if (!sk_stream_memory_free(sk)) goto wait_for_sndbuf; ...... first_skb = skb_queue_empty(&sk->sk_write_queue); skb = sk_stream_alloc_skb(sk, select_size(sk, sg, first_skb), sk->sk_allocation, first_skb); ...... skb_entail(sk, skb); copy = size_goal; max = size_goal; ...... } /* Try to append data to the end of skb. */ if (copy > msg_data_left(msg)) copy = msg_data_left(msg); /* Where to copy to? */ if (skb_availroom(skb) > 0) { /* We have some space in skb head. Superb! */ copy = min_t(int, copy, skb_availroom(skb)); err = skb_add_data_nocache(sk, skb, &msg->msg_iter, copy); ...... } else { bool merge = true; int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags; struct page_frag *pfrag = sk_page_frag(sk); ...... copy = min_t(int, copy, pfrag->size - pfrag->offset); ...... err = skb_copy_to_page_nocache(sk, &msg->msg_iter, skb, pfrag->page, pfrag->offset, copy); ...... pfrag->offset += copy; } ...... tp->write_seq += copy; TCP_SKB_CB(skb)->end_seq += copy; tcp_skb_pcount_set(skb, 0); copied += copy; if (!msg_data_left(msg)) { if (unlikely(flags & MSG_EOR)) TCP_SKB_CB(skb)->eor = 1; goto out; } if (skb->len < max || (flags & MSG_OOB) || unlikely(tp->repair)) continue; if (forced_push(tp)) { tcp_mark_push(tp, skb); __tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH); } else if (skb == tcp_send_head(sk)) tcp_push_one(sk, mss_now); continue; ...... } ...... } ``` tcp\_sendmsg的实现还是很复杂的，这里面做了这样几件事情。 msg是用户要写入的数据，这个数据要拷贝到内核协议栈里面去发送；在内核协议栈里面，网络包的数据都是由struct sk\_buff维护的，因而第一件事情就是找到一个空闲的内存空间，将用户要写入的数据，拷贝到struct sk\_buff的管辖范围内。而第二件事情就是发送struct sk\_buff。 在tcp\_sendmsg中，我们首先通过强制类型转换，将sock结构转换为struct tcp\_sock，这个是维护TCP连接状态的重要数据结构。 接下来是tcp\_sendmsg的第一件事情，把数据拷贝到struct sk\_buff。 我们先声明一个变量copied，初始化为0，这表示拷贝了多少数据。紧接着是一个循环，while (msg\_data\_left(msg))，也即如果用户的数据没有发送完毕，就一直循环。循环里声明了一个copy变量，表示这次拷贝的数值，在循环的最后有copied += copy，将每次拷贝的数量都加起来。 我们这里只需要看一次循环做了哪些事情。 **第一步**，tcp\_write\_queue\_tail从TCP写入队列sk\_write\_queue中拿出最后一个struct sk\_buff，在这个写入队列中排满了要发送的struct sk\_buff，为什么要拿最后一个呢？这里面只有最后一个，可能会因为上次用户给的数据太少，而没有填满。 **第二步**，tcp\_send\_mss会计算MSS，也即Max Segment Size。这是什么呢？这个意思是说，我们在网络上传输的网络包的大小是有限制的，而这个限制在最底层开始就有。 **MTU**（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是二层的一个定义。以以太网为例，MTU为1500个Byte，前面有6个Byte的目标MAC地址，6个Byte的源MAC地址，2个Byte的类型，后面有4个Byte的CRC校验，共1518个Byte。 在IP层，一个IP数据报在以太网中传输，如果它的长度大于该MTU值，就要进行分片传输。 在TCP层有个**MSS**（Maximum Segment Size，最大分段大小），等于MTU减去IP头，再减去TCP头。也就是，在不分片的情况下，TCP里面放的最大内容。 在这里，max是struct sk\_buff的最大数据长度，skb->len是当前已经占用的skb的数据长度，相减得到当前skb的剩余数据空间。 **第三步**，如果copy小于0，说明最后一个struct sk\_buff已经没地方存放了，需要调用sk\_stream\_alloc\_skb，重新分配struct sk\_buff，然后调用skb\_entail，将新分配的sk\_buff放到队列尾部。 struct sk\_buff是存储网络包的重要的数据结构，在应用层数据包叫data，在TCP层我们称为segment，在IP层我们叫packet，在数据链路层称为frame。在struct sk\_buff，首先是一个链表，将struct sk\_buff结构串起来。 接下来，我们从headers\_start开始，到headers\_end结束，里面都是各层次的头的位置。这里面有二层的mac\_header、三层的network\_header和四层的transport\_header。 ``` struct sk_buff { union { struct { /* These two members must be first. */ struct sk_buff *next; struct sk_buff *prev; ...... }; struct rb_node rbnode; /* used in netem & tcp stack */ }; ...... /* private: */ __u32 headers_start[0]; /* public: */ ...... __u32 priority; int skb_iif; __u32 hash; __be16 vlan_proto; __u16 vlan_tci; ...... union { __u32 mark; __u32 reserved_tailroom; }; union { __be16 inner_protocol; __u8 inner_ipproto; }; __u16 inner_transport_header; __u16 inner_network_header; __u16 inner_mac_header; __be16 protocol; __u16 transport_header; __u16 network_header; __u16 mac_header; /* private: */ __u32 headers_end[0]; /* public: */ /* These elements must be at the end, see alloc_skb() for details. */ sk_buff_data_t tail; sk_buff_data_t end; unsigned char *head, *data; unsigned int truesize; refcount_t users; }; ``` 最后几项， head指向分配的内存块起始地址。data这个指针指向的位置是可变的。它有可能随着报文所处的层次而变动。当接收报文时，从网卡驱动开始，通过协议栈层层往上传送数据报，通过增加 skb->data 的值，来逐步剥离协议首部。而要发送报文时，各协议会创建 sk\_buff{}，在经过各下层协议时，通过减少 skb->data的值来增加协议首部。tail指向数据的结尾，end指向分配的内存块的结束地址。 要分配这样一个结构，sk\_stream\_alloc\_skb会最终调用到\_\_alloc\_skb。在这个函数里面，除了分配一个sk\_buff结构之外，还要分配sk\_buff指向的数据区域。这段数据区域分为下面这几个部分。 第一部分是连续的数据区域。紧接着是第二部分，一个struct skb\_shared\_info结构。这个结构是对于网络包发送过程的一个优化，因为传输层之上就是应用层了。按照TCP的定义，应用层感受不到下面的网络层的IP包是一个个独立的包的存在的。反正就是一个流，往里写就是了，可能一下子写多了，超过了一个IP包的承载能力，就会出现上面MSS的定义，拆分成一个个的Segment放在一个个的IP包里面，也可能一次写一点，一次写一点，这样数据是分散的，在IP层还要通过内存拷贝合成一个IP包。 为了减少内存拷贝的代价，有的网络设备支持**分散聚合**（Scatter/Gather）I/O，顾名思义，就是IP层没必要通过内存拷贝进行聚合，让散的数据零散的放在原处，在设备层进行聚合。如果使用这种模式，网络包的数据就不会放在连续的数据区域，而是放在struct skb\_shared\_info结构里面指向的离散数据，skb\_shared\_info的成员变量skb\_frag\_t frags\[MAX\_SKB\_FRAGS\]，会指向一个数组的页面，就不能保证连续了。 ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/9a/b8/9ad34c3c748978f915027d5085a858b8.png) 于是我们就有了**第四步**。在注释/\* Where to copy to? \*/后面有个if-else分支。if分支就是skb\_add\_data\_nocache将数据拷贝到连续的数据区域。else分支就是skb\_copy\_to\_page\_nocache将数据拷贝到struct skb\_shared\_info结构指向的不需要连续的页面区域。 **第五步**，就是要发生网络包了。第一种情况是积累的数据报数目太多了，因而我们需要通过调用\_\_tcp\_push\_pending\_frames发送网络包。第二种情况是，这是第一个网络包，需要马上发送，调用tcp\_push\_one。无论\_\_tcp\_push\_pending\_frames还是tcp\_push\_one，都会调用tcp\_write\_xmit发送网络包。 至此，tcp\_sendmsg解析完了。 ## 解析tcp\_write\_xmit函数 接下来我们来看，tcp\_write\_xmit是如何发送网络包的。 ``` static bool tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle, int push_one, gfp_t gfp) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); struct sk_buff *skb; unsigned int tso_segs, sent_pkts; int cwnd_quota; ...... max_segs = tcp_tso_segs(sk, mss_now); while ((skb = tcp_send_head(sk))) { unsigned int limit; ...... tso_segs = tcp_init_tso_segs(skb, mss_now); ...... cwnd_quota = tcp_cwnd_test(tp, skb); ...... if (unlikely(!tcp_snd_wnd_test(tp, skb, mss_now))) { is_rwnd_limited = true; break; } ...... limit = mss_now; if (tso_segs > 1 && !tcp_urg_mode(tp)) limit = tcp_mss_split_point(sk, skb, mss_now, min_t(unsigned int, cwnd_quota, max_segs), nonagle); if (skb->len > limit && unlikely(tso_fragment(sk, skb, limit, mss_now, gfp))) break; ...... if (unlikely(tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp))) break; repair: /* Advance the send_head. This one is sent out. * This call will increment packets_out. */ tcp_event_new_data_sent(sk, skb); tcp_minshall_update(tp, mss_now, skb); sent_pkts += tcp_skb_pcount(skb); if (push_one) break; } ...... } ``` 这里面主要的逻辑是一个循环，用来处理发送队列，只要队列不空，就会发送。 在一个循环中，涉及TCP层的很多传输算法，我们来一一解析。 第一个概念是**TSO**（TCP Segmentation Offload）。如果发送的网络包非常大，就像上面说的一样，要进行分段。分段这个事情可以由协议栈代码在内核做，但是缺点是比较费CPU，另一种方式是延迟到硬件网卡去做，需要网卡支持对大数据包进行自动分段，可以降低CPU负载。 在代码中，tcp\_init\_tso\_segs会调用tcp\_set\_skb\_tso\_segs。这里面有这样的语句：DIV\_ROUND\_UP(skb->len, mss\_now)。也就是sk\_buff的长度除以mss\_now，应该分成几个段。如果算出来要分成多个段，接下来就是要看，是在这里（协议栈的代码里面）分好，还是等待到了底层网卡再分。 于是，调用函数tcp\_mss\_split\_point，开始计算切分的limit。这里面会计算max\_len = mss\_now \* max\_segs，根据现在不切分来计算limit，所以下一步的判断中，大部分情况下tso\_fragment不会被调用，等待到了底层网卡来切分。 第二个概念是**拥塞窗口**的概念（cwnd，congestion window），也就是说为了避免拼命发包，把网络塞满了，定义一个窗口的概念，在这个窗口之内的才能发送，超过这个窗口的就不能发送，来控制发送的频率。 那窗口大小是多少呢？就是遵循下面这个著名的拥塞窗口变化图。 ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/40/1f/404a6c5041452c0641ae3cba5319dc1f.png) 一开始的窗口只有一个mss大小叫作slow start（慢启动）。一开始的增长速度的很快的，翻倍增长。一旦到达一个临界值ssthresh，就变成线性增长，我们就称为**拥塞避免**。什么时候算真正拥塞呢？就是出现了丢包。一旦丢包，一种方法是马上降回到一个mss，然后重复先翻倍再线性对的过程。如果觉得太过激进，也可以有第二种方法，就是降到当前cwnd的一半，然后进行线性增长。 在代码中，tcp\_cwnd\_test会将当前的snd\_cwnd，减去已经在窗口里面尚未发送完毕的网络包，那就是剩下的窗口大小cwnd\_quota，也即就能发送这么多了。 第三个概念就是**接收窗口**rwnd的概念（receive window），也叫滑动窗口。如果说拥塞窗口是为了怕把网络塞满，在出现丢包的时候减少发送速度，那么滑动窗口就是为了怕把接收方塞满，而控制发送速度。 ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/97/65/9791e2f9ff63a9d8f849df7cd55fe965.png) 滑动窗口，其实就是接收方告诉发送方自己的网络包的接收能力，超过这个能力，我就受不了了。因为滑动窗口的存在，将发送方的缓存分成了四个部分。 * 第一部分：发送了并且已经确认的。这部分是已经发送完毕的网络包，这部分没有用了，可以回收。 * 第二部分：发送了但尚未确认的。这部分，发送方要等待，万一发送不成功，还要重新发送，所以不能删除。 * 第三部分：没有发送，但是已经等待发送的。这部分是接收方空闲的能力，可以马上发送，接收方收得了。 * 第四部分：没有发送，并且暂时还不会发送的。这部分已经超过了接收方的接收能力，再发送接收方就收不了了。 ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/b6/31/b62eea403e665bb196dceba571392531.png) 因为滑动窗口的存在，接收方的缓存也要分成了三个部分。 * 第一部分：接受并且确认过的任务。这部分完全接收成功了，可以交给应用层了。 * 第二部分：还没接收，但是马上就能接收的任务。这部分有的网络包到达了，但是还没确认，不算完全完毕，有的还没有到达，那就是接收方能够接受的最大的网络包数量。 * 第三部分：还没接收，也没法接收的任务。这部分已经超出接收方能力。 在网络包的交互过程中，接收方会将第二部分的大小，作为AdvertisedWindow发送给发送方，发送方就可以根据他来调整发送速度了。 在tcp\_snd\_wnd\_test函数中，会判断sk\_buff中的end\_seq和tcp\_wnd\_end(tp)之间的关系，也即这个sk\_buff是否在滑动窗口的允许范围之内。如果不在范围内，说明发送要受限制了，我们就要把is\_rwnd\_limited设置为true。 接下来，tcp\_mss\_split\_point函数要被调用了。 ``` static unsigned int tcp_mss_split_point(const struct sock *sk, const struct sk_buff *skb, unsigned int mss_now, unsigned int max_segs, int nonagle) { const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); u32 partial, needed, window, max_len; window = tcp_wnd_end(tp) - TCP_SKB_CB(skb)->seq; max_len = mss_now * max_segs; if (likely(max_len <= window && skb != tcp_write_queue_tail(sk))) return max_len; needed = min(skb->len, window); if (max_len <= needed) return max_len; ...... return needed; } ``` 这里面除了会判断上面讲的，是否会因为超出mss而分段，还会判断另一个条件，就是是否在滑动窗口的运行范围之内，如果小于窗口的大小，也需要分段，也即需要调用tso\_fragment。 在一个循环的最后，是调用tcp\_transmit\_skb，真的去发送一个网络包。 ``` static int tcp_transmit_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, int clone_it, gfp_t gfp_mask) { const struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk); struct inet_sock *inet; struct tcp_sock *tp; struct tcp_skb_cb *tcb; struct tcphdr *th; int err; tp = tcp_sk(sk); skb->skb_mstamp = tp->tcp_mstamp; inet = inet_sk(sk); tcb = TCP_SKB_CB(skb); memset(&opts, 0, sizeof(opts)); tcp_header_size = tcp_options_size + sizeof(struct tcphdr); skb_push(skb, tcp_header_size); /* Build TCP header and checksum it. */ th = (struct tcphdr *)skb->data; th->source = inet->inet_sport; th->dest = inet->inet_dport; th->seq = htonl(tcb->seq); th->ack_seq = htonl(tp->rcv_nxt); *(((__be16 *)th) + 6) = htons(((tcp_header_size >> 2) << 12) | tcb->tcp_flags); th->check = 0; th->urg_ptr = 0; ...... tcp_options_write((__be32 *)(th + 1), tp, &opts); th->window = htons(min(tp->rcv_wnd, 65535U)); ...... err = icsk->icsk_af_ops->queue_xmit(sk, skb, &inet->cork.fl); ...... } ``` tcp\_transmit\_skb这个函数比较长，主要做了两件事情，第一件事情就是填充TCP头，如果我们对着TCP头的格式。 ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/be/0e/be225a97816a664367f29be9046aa30e.png) 这里面有源端口，设置为inet\_sport，有目标端口，设置为inet\_dport；有序列号，设置为tcb->seq；有确认序列号，设置为tp->rcv\_nxt。我们把所有的flags设置为tcb->tcp\_flags。设置选项为opts。设置窗口大小为tp->rcv\_wnd。 全部设置完毕之后，就会调用icsk\_af\_ops的queue\_xmit方法，icsk\_af\_ops指向ipv4\_specific，也即调用的是ip\_queue\_xmit函数。 ``` const struct inet_connection_sock_af_ops ipv4_specific = { .queue_xmit = ip_queue_xmit, .send_check = tcp_v4_send_check, .rebuild_header = inet_sk_rebuild_header, .sk_rx_dst_set = inet_sk_rx_dst_set, .conn_request = tcp_v4_conn_request, .syn_recv_sock = tcp_v4_syn_recv_sock, .net_header_len = sizeof(struct iphdr), .setsockopt = ip_setsockopt, .getsockopt = ip_getsockopt, .addr2sockaddr = inet_csk_addr2sockaddr, .sockaddr_len = sizeof(struct sockaddr_in), .mtu_reduced = tcp_v4_mtu_reduced, }; ``` ## 总结时刻 这一节，我们解析了发送一个网络包的一部分过程，如下图所示。 ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/dc/44/dc66535fa7e1a10fd6d728865f6c9344.png) 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。 ## 课堂练习 如果你对TCP协议的结构不太熟悉，可以使用tcpdump命令截取一个TCP的包，看看里面的结构。 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。