TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向分析茍先太［概述本分析主要關(guān)心接II層和協(xié)議層（網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層）的數(shù)據(jù)流向，并主要針對(duì)IP協(xié)議族。對(duì)于其它協(xié)議在接口層以下的實(shí)現(xiàn)基本是相同的。2IP數(shù)據(jù)流的基本流向用戶用戶用戶1用戶1進(jìn)程1進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程1應(yīng)用層傳輸層UDPTCPICMP? ?用戶用戶用戶1用戶1進(jìn)程1進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程1應(yīng)用層傳輸層UDPTCPICMP? ?M"AIPipmtr() ip_outpi|t()IGMP網(wǎng)絡(luò)層接II層ARPaipintr()ipmtrq輸出接口隊(duì)列l(wèi)Ondsc_fhstqlestartO、slstartQ軸入接口隊(duì)列aipmuq\ether_niput()xslmputQ\硬件接口If_output(ethei_output或sloutput)、t^oprocQ媒體從上面的雙箭頭線，可以看出輸入、輸出（進(jìn)/出）數(shù)據(jù)在本地網(wǎng)結(jié)里的大概流向，此處無(wú)須繁敘。為了在討論時(shí)便于溝通，我們先在這里認(rèn)識(shí)幾個(gè)基本概念。鏈路層、接II層、硬件（有時(shí)沒(méi)有，如SLIP、PPP、IPLoopback）+網(wǎng)絡(luò)接I1+設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在不同的書(shū)上或不同地方叫法有些差別，我認(rèn)為它們?cè)贗P協(xié)議族里可以說(shuō)是一個(gè)東西，都是IP以下的東西，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的輸入、輸出?？戳嗽创a后，感覺(jué)if（interface）用得特別多，所以我們統(tǒng)一用接II層來(lái)描述好了。統(tǒng)一說(shuō)話，省得在討論時(shí)一會(huì)說(shuō)鏈路層，一會(huì)兒說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序（并有時(shí)還認(rèn)為驅(qū)動(dòng)程序不是鏈路層或不是接11層）等等。為了便于深刻認(rèn)識(shí)，給出下面簡(jiǎn)單的定義：接口層：在本地網(wǎng)上發(fā)送和接受分組的硬件和軟件，它包括網(wǎng)絡(luò)硬件，有時(shí)沒(méi)有，如SLIP（為T(mén)TY電傳機(jī)虛設(shè)備）、PPP、環(huán)回便只有接口沒(méi)有硬件網(wǎng)結(jié)接II,指在硬件設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序之間的接II設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，和網(wǎng)絡(luò)層直接作用。接口函數(shù)：屬于接II的用以完成接II初始化、數(shù)據(jù)處理等功能的函數(shù)。一般行如if.init,if_start,if_output,以if開(kāi)頭并在接「I結(jié)構(gòu)里面定義的函數(shù)。輸入：數(shù)據(jù)從下層（物理層）往上層流向。輸出：數(shù)據(jù)從上層往下層（物理層）流向。對(duì)此認(rèn)識(shí)有限，歡迎指正。3輸入3.1接口層的輸入3.1.1認(rèn)識(shí)接口在進(jìn)行接II輸入之前，我們先認(rèn)識(shí)接II。我們只從和數(shù)據(jù)流有關(guān)的地方進(jìn)行簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)。接II作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，和系統(tǒng)一起初始化，（在sys/keriiliucmam.c里面完成）。為了便于對(duì)各種接II的統(tǒng)一管理，在if.h里為接II定義了通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ifhet和ifqueue,ifnet完成對(duì)接II的描述和對(duì)接II的管理，ifqueue里面存放接II需要操作的數(shù)據(jù)對(duì)象。Ifqueue結(jié)構(gòu)stiuctifqueue{stmctmbuf*ifq__head;stmctmbufmtifqjen;mtifq_maxlen;mtifq_drops;}；這便是接I】里最著名的ifqueue接II隊(duì)列。在輸入的時(shí)候它作為IP的輸入隊(duì)列，名叫ipintrq,由ip_iiiput從里面讀取mbuf；輸出的時(shí)候叫iflsnd,由ip_output調(diào)用if_output回調(diào)函數(shù)往隊(duì)列里面插入。Ifiiet結(jié)構(gòu)structifiiet{char *if_name; 接「I名標(biāo)明接「I類型，比如en或者lostmct ifiiet*if_next; 用以連接所有接II的ifhet結(jié)構(gòu)*/stmctifaddr*if_addilist;每個(gè)接II支持的地址列表*/stmctifLdataif_data;接II的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等信息*/

mt(mtunit);接II初始化函數(shù)*/mt(*ifLoutput)將傳輸?shù)姆纸M進(jìn)行排隊(duì)到iflsnd隊(duì)列mt(*if_stait)對(duì)接II的向物理層輸出進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)輸出stmctifqueueif_snd;接11輸出隊(duì)列ifnet是接II的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含接II的所有通用信息。每個(gè)接II都有一個(gè)】fhet表,系統(tǒng)所有的】fhet表連在一起形成ifiiet鏈表，以便系統(tǒng)的統(tǒng)一管理。3.1.2FreeBSD以太網(wǎng)接口輸入以以太網(wǎng)為例進(jìn)行說(shuō)明其處理步驟：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初始化，cpu.startup()查照并初始化所有連接到系統(tǒng)的硬件設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)接II初始化虛設(shè)備，如SLIP和環(huán)回接口的偽設(shè)備。調(diào)用pdevinit數(shù)組的每個(gè)pdev_attach0完成。ifinit()完成網(wǎng)絡(luò)接II的初始化。為接I】生成一個(gè)專用化ifnet結(jié)構(gòu)，調(diào)用attach把其掛入接II鏈表。對(duì)以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，調(diào)用if_attach,其專用的ifnet結(jié)構(gòu)叫l(wèi)e_softco數(shù)據(jù)來(lái)到接II,接II接收到一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀時(shí)，接II產(chǎn)生中斷，Mintr被調(diào)用。leintr()檢測(cè)硬件，并旦如果有一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀，就調(diào)用lereadOolereadO用m_devget()把這個(gè)幀從接「I移到mbuf鏈。ether.input()處理這個(gè)mbuf鏈，既一個(gè)分組。并將接收到的分組加入到接II隊(duì)列。具體實(shí)現(xiàn)為調(diào)用鏈路層分用函數(shù)do_protocol_with_type(type,pMbuf,&pDrvCtrl->idr,len)函數(shù)，它根據(jù)以太網(wǎng)類型字段來(lái)進(jìn)行入隊(duì)和跳轉(zhuǎn)。確定隊(duì)列：caseETHERTYPE_IP:netlsr=NETISR.IP;IP輸入隊(duì)列arp輸入隊(duì)列inqIP輸入隊(duì)列arp輸入隊(duì)列break;caseETHERTYPE_ARP:netlsr=NETISR.ARP;inq=&arpintrq;break;分組入隊(duì)：spl=splimpO;把CPU的優(yōu)先級(jí)升到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序級(jí)if(IF_QFULL(inq))如果隊(duì)列滿就丟棄該分組IF_DROP(inq);m_freem(pMbuf);else否則就入隊(duì)

elseIF_ENQUEUE(inq,pMbuf):schednetisr(netlsr);sqlnet級(jí)別的軟中斷，不一定馬上執(zhí)行，因?yàn)镃PU還沒(méi)有退出splimpsplx(spl);splx(spl);}將CPU的優(yōu)先級(jí)恢復(fù)到調(diào)用前的級(jí)別。如果該分組是IP分組，則schednetisr調(diào)用IP軟件中斷，并選擇IP輸入隊(duì)列ipintrq進(jìn)行處理。如果該分組是ARP分組，則schednetisr調(diào)用ARP軟件中斷,并選擇ARP輸入隊(duì)列arpintrq進(jìn)行處理。s到此，接口層完成輸入數(shù)據(jù)的處理。上面用到CPU的級(jí)別，一般是這樣確定網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的運(yùn)行級(jí)別：終端設(shè)備spltty級(jí)，當(dāng)終端設(shè)備的中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行?？伞鲆該屨季W(wǎng)絡(luò)層協(xié)議以上的執(zhí)行級(jí)別.splimp接II層執(zhí)行級(jí)別，可以搶占網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議以上的執(zhí)行.Spinet,網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層執(zhí)行。SqlO,插II(socket)層執(zhí)行?3.2IP的輸入ip輸入由ipmti-()來(lái)完成：由ipintlt通數(shù)循環(huán)從接II層的IP輸入隊(duì)列ipintrq里讀取分組(獲得mbuf指針),直到為空：next: 循環(huán)s=splimp0; 防止在讀時(shí)發(fā)生ether^input或siinput執(zhí)行。IF_DEQUEUE(&ipintrq,m);讀出一個(gè)分組splx(s); 恢復(fù)CPU級(jí)別gotonext對(duì)于每個(gè)讀到的分組，進(jìn)行驗(yàn)證是否丟棄。不丟棄的用ip.dooptions處理IP選項(xiàng)。選項(xiàng)處理完后，拿出IP首部的ip_dst和本地所有的接II地址(包括接II的broadcast.multicast、unicast)進(jìn)行比較，具體通過(guò)遍歷m_ifaddr地址表，查看其是否為本地分組。如果不是本地分組，看本地網(wǎng)是否設(shè)置ipfonvard,若沒(méi)有則丟棄它，若有則把分組路由到它的最終目的地。如果是本地分組，則需要進(jìn)行重新裝載的就ipReAssembleo完成后，用ip_protox進(jìn)行分用，及給相應(yīng)的傳輸層處理。(*inetsw[ip_protox[ip->ip_p]].pr_mput)(m,hlen);因?yàn)閭鬏攲拥奶幚碓趇pintr的循環(huán)內(nèi)處理，所以網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層之間沒(méi)有隊(duì)列存在。因?yàn)槲覀冎饕亲鼍W(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)發(fā)，所以輸入操作的分析暫時(shí)到此為止。3輸出3.1IP輸出ip_output傳輸層的tcp_outputQ和udp_output()都調(diào)用ip_output()進(jìn)行輸出。ip_output()使用回調(diào)函數(shù)ifloutput,完成輸出操作。調(diào)用形式為：(*ifp->if_output)(ifp,nL(structsockaddr*)dst,ro->io_rt);3.2接口層輸出3.2.1FreeBSD以太網(wǎng)的輸出欲輸出分組進(jìn)行屆接「1隊(duì)列入隊(duì)。以太網(wǎng)接口的iLoutput回調(diào)函數(shù)為ether_output()o入隊(duì)操作如下：s=splimp();if(IF_QFULL(&ifp->ifLsnd))(IF_DROP(&ifp->iOnd);splx(s);senden(ENOBUFS);}IF_ENQUEUE(&i^)->if_snd.m);將mbuf掛到接IIif_snd隊(duì)列&IFF_OACTIVE)=0)(*ifp->ifLstail)(ifp); @調(diào)用iflstart啟動(dòng)輸出splx(s);從接II隊(duì)列里取出排隊(duì)的幀。從上面注有@標(biāo)記的行可以看出在ethei_ouput函數(shù)里放入一個(gè)分組后，馬上通過(guò)接「I的iflstart函數(shù)調(diào)用lestait啟動(dòng)輸出操作。Lestail從隊(duì)列里取出一個(gè)幀，調(diào)用leput進(jìn)行發(fā)送。322路由器以太網(wǎng)的輸出分析到此，覺(jué)得FreeBSD和路由器在以太網(wǎng)接II的處理上差別多多，所以又專們看了路由器的以太網(wǎng)輸出處理，分析如下：欲輸出分組進(jìn)行入接II隊(duì)列。以太網(wǎng)接II的iCoutput回調(diào)函數(shù)由ipoutputQ實(shí)現(xiàn)真正的操作。參看ipProto.c語(yǔ)句：

pIfp->ifLoutput=ipOutput;在ipOutput()的入隊(duì)操作如下：s=spliinpO；if(IF_QFULL(&ifp->if_snd))(IF_DROP(&ifp->ifLsnd);splx(s);senden(ENOBUFS);}IF_ENQUEUE(&i^)->if_snd.m);將mbuf掛到接IIif_snd隊(duì)列if((ifp->iflflags&IFF_OACTIVE)=0)(*ifp->ifLstait)(ifp); @調(diào)用iflstart啟動(dòng)輸出splx(s);從接II隊(duì)列里取出排隊(duì)的幀。從上面注有@標(biāo)記的行可以看出在ipouput()函數(shù)里放入―個(gè)分組后，馬上通過(guò)接II的ifLstart()。在mprliiterface.c里面接II初始化時(shí)，使用if(ipAttach(pCookie->devObject.unit,pCookie->devO)!=OK){)語(yǔ)句調(diào)用ipAttach()函數(shù)將if_start替換為ipTxStartupopDivCtrl->idr.ac_if.iflstait=(FUNCPTR)ipTxStaitup即以太網(wǎng)接II使用ipTxStamipO啟動(dòng)發(fā)送操作。IpTxStamipQ執(zhí)行循環(huán)直到把iflsnd里面的所有包發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)如下：while(pDrvCtrl->idr.ac_if?ijsnd.ifqjiead)(IF_DEQUEUE(&pDivCtrl->idr.ac_if.ifLsnd.pMblk);從ifLsnd里取出1個(gè)if((etlierOutputHookRtn!=NULL)&&(*etlierOutputHookRtn)(&pDivCtrl->idi\(stnictether_header*)pMblk->m_data,pMblk->mJen))(continue;ijstatus=muxSend(pDrvCtrl.>pIpCookie,pMblk);調(diào)用muxSend進(jìn)行進(jìn)一步處理。++pDrvCtrl->idr.ac_if.if^opackets;)muxSend()調(diào)用pEnd接II函數(shù)表里的send函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。(muxSend并沒(méi)有把數(shù)據(jù)真正的發(fā)送到線路上，而是放在了BD中或它自己的隊(duì)列上(繁忙時(shí))。實(shí)現(xiàn)由pEnd->pFuncTable->send(pEnd,pNBuff)完成弓)由驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)表里的send。函數(shù)完成線路輸出操作。在整個(gè)接口層的操作中有兩個(gè)隊(duì)列存在。323,由器廣域網(wǎng)口的輸出323,由器廣域網(wǎng)口的輸出針對(duì)HDLC協(xié)議，只從函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)流作簡(jiǎn)單說(shuō)明。輸出過(guò)程如下:1）執(zhí)行回調(diào)函數(shù)ifloutputo注意：此處并不進(jìn)行接口隊(duì)列入隊(duì)，由ChdlcDataFromUpper替換ifloutput回調(diào)函數(shù)：i^)->ifLoutput=ChdlcDataFromUppero在ChdlcDataFromUpper里面調(diào)用Chdl