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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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