Linux内核bridge浅析.docx
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Linux内核bridge浅析
Linux内核bridge浅析
Linux网桥模型：
Linux内核通过一个虚拟的网桥设备来实现桥接的，这个设备可以绑定若干个以太网接口设备，从而将它们桥接起来。
如下图所示：
网桥设备br0绑定了eth0和eth1。
对于网络协议栈的上层来说，只看得到br0，因为桥接是在数据链路层实现的，上层不需要关心桥接的细节。
于是协议栈上层需要发送的报文被送到br0，网桥设备的处理代码再来判断报文该被转发到eth0或是eth1，或者两者皆是；反过来，从eth0或从eth1接收到的报文被提交给网桥的处理代码，在这里会判断报文该转发、丢弃、或提交到协议栈上层。
而有时候eth0、eth1也可能会作为报文的源地址或目的地址，直接参与报文的发送与接收（从而绕过网桥）。
相关数据结构：
其中最左边的net_device是一个代表网桥的虚拟设备结构，它关联了一个net_bridge结构，这是网桥设备所特有的数据结构。
在net_bridge结构中，port_list成员下挂一个链表，链表中的每一个节点（net_bridge_port结构）关联到一个真实的网口设备的net_device。
网口设备也通过其br_port指针做反向的关联（那么显然，一个网口最多只能同时被绑定到一个网桥）。
net_bridge结构中还维护了一个hash表，是用来处理地址学习的。
当网桥准备转发一个报文时，以报文的目的Mac地址为key，如果可以在hash表中索引到一个net_bridge_fdb_entry结构，通过这个结构能找到一个网口设备的net_device，于是报文就应该从这个网口转发出去；否则，报文将从所有网口转发。
网桥数据包的处理流程：
接收过程：
对于数据包的处理流程并没有明显的主线，主要就是根据内核代码中网桥部分的源码进行分析。
网口设备接收到的报文最终通过net_receive_skb函数被网络协议栈所接收。
这个函数主要做三件事情：
1、如果有抓包程序需要skb，将skb复制给它们；2、处理桥接；3、将skb提交给网络层。
intnetif_receive_skb（structsk_buff*skb）
{
......
if（handle_bridge（&skb,&pt_prev,&ret,orig_dev））
gotoout;
......
}
staticinlinestructsk_buff*handle_bridge（structsk_buff*skb,
structpacket_type**pt_prev,int*ret,
structnet_device*orig_dev）
{
structnet_bridge_port*port;
//对于回环设备以及skb->dev->br_port为空（即不被任何网桥所包含）的数据包直接返回
if（skb->pkt_type==PACKET_LOOPBACK||
（port=rcu_dereference（skb->dev->br_port））==NULL）
returnskb;
if（*pt_prev）{
*ret=deliver_skb（skb,*pt_prev,orig_dev）;
*pt_prev=NULL;
}
//网桥的基本挂接点处理函数
returnbr_handle_frame_hook（port,skb）;
}
br_handle_frame_hook在网桥初始化模块br_init（void）函数中被赋值.
br_handle_frame_hook=br_handle_frame;
所以网桥对于数据包的处理过程是从br_handle_frame开始的。
structsk_buff*br_handle_frame（structnet_bridge_port*p,structsk_buff*skb）
{
constunsignedchar*dest=eth_hdr（skb）->h_dest;
int（*rhook）（structsk_buff*skb）;
//判断是否为有效的物理地址，非全0地址以及非广播地址
if（!
is_valid_ether_addr（eth_hdr（skb）->h_source））
gotodrop;
//判断skb包是否被共享skb->users!
=1,若是，则复制一份，否则直接返回
skb=skb_share_check（skb,GFP_ATOMIC）;
if（!
skb）
returnNULL;
//这个函数并非像想象的那样，判断是否为本地地址
//而是在判断是否为链路本地多播地址，01:
80:
c2:
00:
00:
0x
if（unlikely（is_link_local（dest）））{
/*Pauseframesshouldn'tbepassedupbydriveranyway*/
if（skb->protocol==htons（ETH_P_PAUSE））
gotodrop;
/*IfSTPisturnedoff,thenforward*/
if（p->br->stp_enabled==BR_NO_STP&&dest[5]==0）
gotoforward;
if（NF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_LOCAL_IN,skb,skb->dev,
NULL,br_handle_local_finish））
returnNULL; /*frameconsumedbyfilter*/
else
returnskb; /*continueprocessing*/
}
forward:
switch（p->state）{
caseBR_STATE_FORWARDING:
//如果网桥处于forwarding状态，并且该报文必须要走L3层进行转发，则直接返回
//br_should_route_hook钩子函数在ebtable里面设置为ebt_broute函数，它根据用户的规
//决定该报文是否要通过L3层来转发；一般rhook为空
rhook=rcu_dereference（br_should_route_hook）;
if（rhook!
=NULL）{
if（rhook（skb））
returnskb;
dest=eth_hdr（skb）->h_dest;
}
/*fallthrough*/
caseBR_STATE_LEARNING:
//如果数据包的目的mac地址为虚拟网桥设备的mac地址，则标记为host
if（!
compare_ether_addr（p->br->dev->dev_addr,dest））
skb->pkt_type=PACKET_HOST;
//调用网桥在NF_BR_PREROUTING处挂载的钩子函数，因为网桥在其钩子函数过//程中嵌套调用了INET层BR_PREROUTING的钩子函数，过程有些曲折，故最后//再分析
NF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_PRE_ROUTING,skb,skb->dev,NULL,
br_handle_frame_finish）;
break;
default:
drop:
kfree_skb（skb）;
}
returnNULL;
}
FORWARDING以及LEARNING为网桥的状态，网桥端口一般有5种状态：
1） disable被管理员禁用
2） blcok休息，不参与数据包转发
3） listening监听
4） learning学习ARP信息，准备向工作状态改变
5） forwarding正常工作，转发数据包
/*note:
alreadycalledwithrcu_read_lock（preempt_disabled）*/
intbr_handle_frame_finish（structsk_buff*skb）
{
constunsignedchar*dest=eth_hdr（skb）->h_dest;
structnet_bridge_port*p=rcu_dereference（skb->dev->br_port）;
structnet_bridge*br;
structnet_bridge_fdb_entry*dst;
structsk_buff*skb2;
//判断网桥状态
if（!
p||p->state==BR_STATE_DISABLED）
gotodrop;
/*insertintoforwardingdatabaseafterfilteringtoavoidspoofing*/
//br为虚拟网桥结构
br=p->br;
//根据数据包的源物理地址，更新网桥的转发表
br_fdb_update（br,p,eth_hdr（skb）->h_source）;
if（p->state==BR_STATE_LEARNING）
gotodrop;
/*Thepacketskb2goestothelocalhost（NULLtoskip）.*/
//skb2数据包用于交付本机，skb数据包则用于forward
skb2=NULL;
//如果网口处于混杂模式，复制一份交付主机
if（br->dev->flags&IFF_PROMISC）
skb2=skb;
dst=NULL;
//如果为广播数据包，增加计数，同样需要发一份给主机
if（is_multicast_ether_addr（dest））{
br->dev->stats.multicast++;
skb2=skb;
}
/*根据网桥口以及目标地址判断是否为本机数据包*/
elseif（（dst=__br_fdb_get（br,dest））&&dst->is_local）{
skb2=skb;
/*Donotforwardthepacketsinceit'slocal.*/
skb=NULL;
}
if（skb2==skb）
skb2=skb_clone（skb,GFP_ATOMIC）;
if（skb2）
/*完成将数据包交付给本机的工作*/
br_pass_frame_up（br,skb2）;
if（skb）{
if（dst）
//如果存在目的地址则将其转发
br_forward（dst->dst,skb）;
else
//否则，flood数据包，向除接收网口外的其余网口发送该数据包
br_flood_forward（br,skb）;
}
out:
return0;
drop:
kfree_skb（skb）;
gotoout;
}
//此函数主要实现通过网桥接收发往本机的数据包
staticvoidbr_pass_frame_up（structnet_bridge*br,structsk_buff*skb）
{
structnet_device*indev,*brdev=br->dev;
//完成数据包的统计计数
brdev->stats.rx_packets++;
brdev->stats.rx_bytes+=skb->len;
//将skb的dev改变为网桥结构的brdev
//此时skb的dev选项由实际网络设备eth0等改变为虚拟网桥设备br0
indev=skb->dev;
skb->dev=brdev;
//重新走数据包接收流程，netif_receive_skb
//但因为dev的改变，dev的br_port字段不再为空，不会重走网桥流程，直接交付
NF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_LOCAL_IN,skb,indev,NULL,
netif_receive_skb）;
}
下面看一下转发数据包的流程，对于flood_forward的流程，同样通过br_forward来实现，只不过改为循环遍历hash表中的设备，对于每一个设备都调用一次br_forward流程。
/*calledwithrcu_read_lock*/
voidbr_forward（conststructnet_bridge_port*to,structsk_buff*skb）
{
/*如果skb->dev不等于网桥的dev，同时网桥状态为forwarding，则进行转发*/
if（should_deliver（to,skb））{
__br_forward（to,skb）;
return;
}
kfree_skb（skb）;
}
staticvoid__br_forward（conststructnet_bridge_port*to,structsk_buff*skb）
{
structnet_device*indev;
if（skb_warn_if_lro（skb））{
kfree_skb（skb）;
return;
}
//将skb的dev字段改为查找到的出口dev字段
indev=skb->dev;
skb->dev=to->dev;
skb_forward_csum（skb）;
//遍历执行NF_BR_FORWARD钩子函数
NF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_FORWARD,skb,indev,skb->dev,
br_forward_finish）;
}
intbr_forward_finish（structsk_buff*skb）
{
//继续跑NF_BR_POST_ROUTING处的钩子函数
returnNF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_POST_ROUTING,skb,NULL,skb->dev,
br_dev_queue_push_xmit）;
}
intbr_dev_queue_push_xmit（structsk_buff*skb）
{
/*dropmtuoversizedpacketsexceptgso*/
/*如果skb数据包的长度大于MTU值，则丢弃*/
if（packet_length（skb）>skb->dev->mtu&&!
skb_is_gso（skb））
kfree_skb（skb）;
else{
/*ip_refragcallsip_fragment,doesn'tcopytheMACheader.*/
if（nf_bridge_maybe_copy_header（skb））
kfree_skb（skb）;
else{
skb_push（skb,ETH_HLEN）;
//此时skb的dev已经替换成进行转发的dev了，dev_queue_xmit将使
//用该网口设备的发送函数完成数据包的发送
dev_queue_xmit（skb）;
}
}
return0;
}
发送过程：
协议栈上层需要发送报文时，调用dev_queue_xmit（skb）函数。
如果这个报文需要通过网桥设备来发送，则skb->dev指向一个网桥设备。
网桥设备没有使用发送队列（dev->qdisc为空），所以dev_queue_xmit将直接调用dev->hard_start_xmit函数，而网桥设备的hard_start_xmit等于函数br_dev_xmit；
/*netdevicetransmitalwayscalledwithnoBH（preempt_disabled）*/
/*br_dev_xmit为网桥设备的数据包发送函数*/
intbr_dev_xmit（structsk_buff*skb,structnet_device*dev）
{
structnet_bridge*br=netdev_priv（dev）;
constunsignedchar*dest=skb->data;
structnet_bridge_fdb_entry*dst;
dev->stats.tx_packets++;
dev->stats.tx_bytes+=skb->len;
skb_reset_mac_header（skb）;
skb_pull（skb,ETH_HLEN）;
/*如果为广播地址，则flood该数据包
*如果能够根据skb中的目的mac地址查找到对应的网口，则通过br_deliver发送该数据包
*如果查找不到，同样flood该数据包
*/
if（dest[0]&1）
br_flood_deliver（br,skb）;
elseif（（dst=__br_fdb_get（br,dest））!
=NULL）
br_deliver（dst->dst,skb）;
else
br_flood_deliver（br,skb）;
return0;
}
br_flood_deliver函数的实现过程，同样是遍历hash表，对于每一个网口设备都调用一次__br_deliver，所以下面就主要看一下br_deliver函数的流程
voidbr_deliver（conststructnet_bridge_port*to,structsk_buff*skb）
{
if（should_deliver（to,skb））{
__br_deliver（to,skb）;
return;
}
kfree_skb（skb）;
}
staticvoid__br_deliver（conststructnet_bridge_port*to,structsk_buff*skb）
{
/*将skb中的dev改成出口设备所对应的dev*/
skb->dev=to->dev;
NF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_LOCAL_OUT,skb,NULL,skb->dev,
br_forward_finish）;
}
/*最终仍然通过br_dev_queue_push_xmit完成数据包的发送过程*/
intbr_forward_finish（structsk_buff*skb）
{
returnNF_HOOK（PF_BRIDGE,NF_BR_POST_ROUTING,skb,NULL,skb->dev,
br_dev_queue_push_xmit）;
}
至此，整个网桥中数据的处理流程已经完全结束了。
Netfilter：
对于网桥中的netfilter的钩子函数的调度过程有些曲折，对于INET层的钩子函数全部被嵌套进BRIDGE层钩子函数的运行流程中。
下面首先来看一下网桥一共挂载了哪些钩子函数
staticstructnf_hook_opsbr_nf_ops[]__read_mostly={
{.hook=br_nf_pre_routing,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_BRIDGE,
.hooknum=NF_BR_PRE_ROUTING,
.priority=NF_BR_PRI_BRNF,},
{.hook=br_nf_local_in,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_BRIDGE,
.hooknum=NF_BR_LOCAL_IN,
.priority=NF_BR_PRI_BRNF,},
{.hook=br_nf_forward_ip,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_BRIDGE,
.hooknum=NF_BR_FORWARD,
.priority=NF_BR_PRI_BRNF-1,},
{.hook=br_nf_forward_arp,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_BRIDGE,
.hooknum=NF_BR_FORWARD,
.priority=NF_BR_PRI_BRNF,},
{.hook=br_nf_local_out,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_BRIDGE,
.hooknum=NF_BR_LOCAL_OUT,
.priority=NF_BR_PRI_FIRST,},
{.hook=br_nf_post_routing,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_BRIDGE,
.hooknum=NF_BR_POST_ROUTING,
.priority=NF_BR_PRI_LAST,},
//以上为BRIDGE层挂载的钩子函数，一下为INET层挂载的钩子函数
{.hook=ip_sabotage_in,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_INET,
.hooknum=NF_INET_PRE_ROUTING,
.priority=NF_IP_PRI_FIRST,},
{.hook=ip_sabotage_in,
.owner=THIS_MODULE,
.pf=PF_INET6,
.hooknum=NF_INET_PRE_ROUTING,
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