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SKBBUFF整理笔记
SKB_BUFF整理笔记
一.SKB_BUFF的基本概念
1.一个完整的skbbuff组成
（1）structsk_buff--用于维护socketbuffer状态和描述信息
（2）headerdata--独立于sk_buff结构体的数据缓冲区，用来存放报文分组，使各层协议的header存储在连续的空间中，以方便协议栈对其操作
（3）structskb_shared_info--作为headerdata的补充，用于存储ip分片，其中sk_buff*frag_list是一系列子skbuff链表，而frag[]是由一组单独的page组成的数据缓冲区
skbbuff结构图如下：
structskb_buff
表示接收或发送数据包的包头信息，其成员变量在从一层向另一层传递时会发生修改。
例如L3向L2传递前，会添加一个L3的头部，所以在添加头部前调用skb_reserve在缓冲区的头部给协议头预留一定的空间；L2向L3传递时候，L2的头部只有在网络驱动处理L2的协议时有用，L3是不会关心它的信息的。
但是，内核不会把L2的头部从缓冲区中删除，
sk_buff->h
sk_buff->nh
sk_buff->mac
指向TCP/IP各层协议头的指针：
h指向L4（传输层），nh指向L3（网络层），mac指向L2（数据链路层）。
每个指针的类型都是一个联合，包含多个数据结构，
sk_buff->head
sk_buff->data
sk_buff->tail
sk_buff->end
表示缓冲区和数据部分的边界。
在每一层申请缓冲区时，它会分配比协议头或协议数据大的空间。
head和end指向缓冲区的头部和尾部，而data和tail指向实际数据的头部和尾部。
每一层会在head和data之间填充协议头，或者在tail和end之间添加新的协议数据。
数据部分会在尾部包含一个附加的头部。
下图是TCP（L4）向下发送数据给链路层L2的过程。
注意skb_buff->data在从L4向L2穿越过程中的变化
几个len的区别？
（1）sk_buff->len:
表示当前协议数据包的长度。
它包括主缓冲区中的数据长度（data指针指向它）和分片中的数据长度。
比如，处在网络层，len指的是ip包的长度，如果包已经到了应用层，则len是应用层头部和数据载荷的长度。
（2）sk_buff->data_len:
data_len只计算分片中数据的长度，即skb_shared_info中有效数据总长度（包括frag_list,frags[]中的扩展数据），一般为0
（3）sk_buff->truesize:
这是缓冲区的总长度，包括sk_buff结构和数据部分。
如果申请一个len字节的缓冲区，alloc_skb函数会把它初始化成len+sizeof（sk_buff）。
当skb->len变化时，这个变量也会变化。
通常，DataBuffer只是一个简单的线性buffer，这时候len就是线性buffer中的数据长度；
但在有‘pageddata’情况下，DataBuffer不仅包括第一个线性buffer，还包括多个pagebuffer；这种情况下，‘data_len’指的是pagebuffer中数据的长度，’len’指的是线性buffer加上pagebuffer的长度；len–data_len就是线性buffer的长度。
二.sk_buff结构操作函数
内核通过alloc_skb（）和dev_alloc_skb（）为套接字缓存申请内存空间。
这两个函数的定义位于net/core/skbuff.c文件内。
通过这alloc_skb（）申请的内存空间有两个，一个是存放实际报文数据的内存空间，通过kmalloc（）函数申请；一个是sk_buff数据结构的内存空间，通过kmem_cache_alloc（）函数申请。
dev_alloc_skb（）的功能与alloc_skb（）类似，它只被驱动程序的中断所调用，与alloc_skb（）比较只是申请的内存空间长度多了16个字节。
内核通过kfree_skb（）和dev_kfree_skb（）释放为套接字缓存申请的内存空间。
dev_kfree_skb（）被驱动程序使用，功能与kfree_skb（）一样。
当skb->users为1时kfree_skb（）才会执行释放内存空间的动作，否则只会减少skb->users的值。
skb->users为1表示已没有其他用户使用该缓存了。
skb_reserve（）函数为skb_buff缓存结构预留足够的空间来存放各层网络协议的头信息。
该函数在在skb缓存申请成功后，加载报文数据前执行。
在执行skb_reserve（）函数前，skb->head，skb->data和skb->tail指针的位置的一样的，都位于skb内存空间的开始位置。
这部份空间叫做headroom。
有效数据后的空间叫tailroom。
skb_reserve的操作只是把skb->data和skb->tail指针向后移，但缓存总长不变。
运行skb_reserve（）前sk_buff的结构
sk_buff
-------------------------------->skb->head，skb->data，skb->tail
||
||
||
||
||
||
||
||
||
------------------------------->skb->end
运行skb_reserve（）后sk_buff的结构
sk_buff
-------------------------------->skb->head
||
|headroom|
||
|---------------------|---------->skb->data，skb->tail
||
||
||
||
||
------------------------------->skb->end
skb_put（）向后扩大数据区空间，tailroom空间减少，skb->data指针不变，skb->tail指针下移。
skb_push（）向前扩大数据区空间，headroom空间减少，skb->tail指针不变，skb->data指针上移
skb_pull（）缩小数据区空间，headroom空间增大，skb->data指针下移，skb->tail指针不变。
skb_shared_info结构位于skb->end后，用skb_shinfo函数申请内存空间。
该结构主要用以描述data内存空间的信息。
-------------------------------->skb->head
||
||
|sk_buff|
||
||
||
|---------------------|----------->skb->end
||
|skb_share_info|
||
---------------------
skb_clone和skb_copy可拷贝一个sk_buff结构，skb_clone方式是clone，只生成新的sk_buff内存区，不会生成新的data内存区，新sk_buff的skb->data指向旧data内存区。
skb_copy方式是完全拷贝，生成新的sk_buff内存区和data内存区。
。
三.skb的分配细节
1.关于SKB的分配细节.
LINUX中SKB的分配最终是由函数:
structsk_buff*__alloc_skb（unsignedintsize,gfp_tgfp_mask,intfclone）来完成.
SKB可以分为SKB描述符与SKB数据区两个部分,其中描述符必须从CACHE中来分配:
或者从skbuff_fclone_cache中分配,或者从skbuff_head_cache中来分配.
如果从分配描述符失败,则直接反悔NULL,表示SKB分配失败.
SKB描述符分配成功后,即可分配数据区.
在具体分配数据区之前首先要对数据区的长度进行ALIGN操作,通过宏SKB_DATA_ALIGN来重新确定size大小.然后戏台调用kmalloc函数分配数据区:
data=kmalloc（size+sizeof（structskb_shared_info）,gfp_mask）;
需要注意的是数据区的大小是SIZE的大小加上skb_shared_info结构的大小.
数据区分配成功后,便对SKB描述符进行与此数据区相关的赋值操作:
memset（skb,0,offsetof（structsk_buff,truesize））;
skb->truesize=size+sizeof（structsk_buff）;
atomic_set（&skb->users,1）;
skb->head=data;
skb->data=data;
skb->tail=data;
skb->end=data+size;
需要主意的是,SKB的truesize的大小并不包含skb_shared_info结构的大小.另外,skb的end成员指针也就是skb_shared_info结构的起始指针,系统用
一个宏:
skb_shinfo来完成寻找skb_shared_info结构指针的操作.
最后,系统初始化skb_shared_info结构的成员变量:
atomic_set（&（skb_shinfo（skb）->dataref）,1）;
skb_shinfo（skb）->nr_frags=0;
skb_shinfo（skb）->tso_size=0;
skb_shinfo（skb）->tso_segs=0;
skb_shinfo（skb）->frag_list=NULL;
skb_shinfo（skb）->ufo_size=0;
skb_shinfo（skb）->ip6_frag_id=0;
最后,返回SKB的指针.
2.SKB的分配时机
SKB的分配时机主要有两种,最常见的一种是在网卡的中断中,有数据包到达的时,系统分配SKB包进行包处理;第二种情况是主动分配SKB包用于各种调试或者其他处理环境.
3.SKB的reserve操作
SKB在分配的过程中使用了一个小技巧:
即在数据区中预留了128个字节大小的空间作为协议头使用,通过移动SKB的data与tail指针的位置来实现这个功能.
4.SKB的put操作
put操作是SKB中一个非常频繁也是非常重要的操作,但是,skb_put（）函数其实什么也没做!
它只是根据数据的长度移动了tail指针并改写了skb->len的值,其他的什么都没做,然后就返回了skb->data指针（就是tail指针在移动之前的位置）.看上去此函数仿佛要拷贝数据到skb的数据区中,其实这事儿是insl这个函数干的,跟skb_put（）函数毫不相关,不过它仍然很重要.
5.中断环境下SKB的分配流程
当数据到达网卡后,会触发网卡的中断,从而进入ISR中,系统会在ISR中计算出此次接收到的数据的字节数:
pkt_len,然后调用SKB分配函数来分配SKB:
skb=dev_alloc_skb（pkt_len+5）;
我们可以看到,实际上传入的数据区的长度还要比实际接收到的字节数多,这实际上是一种保护机制.实际上,在dev_alloc_skb函数调用__dev_alloc_skb函数,而__dev_alloc_skb函数又调用alloc_skb函数时,其数据区的大小又增加了128字节,这128字节就事前面我们所说的reserve机制预留的header空间.
四.不同情况下构造skb数据包的实现
在我这个网络接口的程序中（can0），其实难点就是怎样组包。
怎样在原来数据包的基础加上自己的数据，怎样构造ip头，怎样构造udp头。
调试了两个星期，终于是调通了，在这个过程中，通过看内核源代码和自己组包的尝试，大概对组包的方法有了些了解，记录在此，留做备忘，也希望能给需要这方面信息的朋友一点帮助吧。
1，正常网卡收到数据包后的情况：
她的工作就是剥离mac头，然后给一些字段赋值，最后调用netif_rx将剥离mac头后的数据报（比如ip数据包）发送到上层协议。
由协议栈处理。
在此以ldd3中的snull为例，虽然snull跟硬件不相关，但这个过程都是类似的。
structsk_buff*skb;
structsnull_priv*priv=netdev_priv（dev）;
skb=dev_alloc_skb（pkt->datalen+2）;
if（!
skb）{
if（printk_ratelimit（））
printk（KERN_NOTICE"snullrx:
lowonmem-packetdropped/n"）;
priv->stats.rx_dropped++;
gotoout;
}
skb_reserve（skb,2）;/*alignIPon16Bboundary*/
memcpy（skb_put（skb,pkt->datalen）,pkt->data,pkt->datalen）;
/*Writemetadata,andthenpasstothereceivelevel*/
skb->dev=dev;
skb->protocol=eth_type_trans（skb,dev）;
skb->ip_summed=CHECKSUM_UNNECESSARY;/*don'tcheckit*/
priv->stats.rx_packets++;
priv->stats.rx_bytes+=pkt->datalen;
netif_rx（skb）;
注意：
上面代码中红色放大的地方是重要的。
因为此刻收到的数据包的格式如下：
mac＋ip＋udp/udp＋data
这时候的处理就是剥离mac头，然后需要更新的一些域值。
这些都是在函数eth_type_trans函数里做的。
需要注意的是，skb->dev=dev;这条语句是很重要的，如果没有此语句，将会导致系统错误而死机（至少在我的板子上是这样的）。
注意：
eth_type_trans（）函数主要赋值的是：
skb->mac.raw，skb->protocol和skb->pkt_type。
见下面的代码有无mac头的情况。
2，完全从一个字符串开始构造一个新的skb数据包。
以前只是看过如何修改数据包，自己构造数据包，这还是头一次，刚开始确实给我难住了，来来经过看内核代码和自己摸索，我自己写的代码如下：
/*假设：
data是一个指向字符串的指针，data_len是data的长度*/
structipv6hdr*ipv6h;
structudphdr*udph;
structsk__buff*new_skb;
intlength=data_len+sizeof（structipv6hdr）+sizeof（udphdr）;
new_skb=dev_alloc_skb（length）;
if（!
new_skb）
{
printk（"lowmemory.../n"）:
return-1;
}
skb_reserve（new_skb,length）;
memcpy（skb_push（new_skb,data_len）,data,data_len）;
new_skb->h.uh=udph=（structudphdr*）skb_push（new_skb,sizeof（structudphdr））;
memcpy（udph,&udph_tmp,sizeof（structudphdr））;//注意，此刻我的udph_tmp是在另一个过程中截获的数据包的udp头，如果完全是自己构造数据包，则需要自己填充udp数据头中的字段。
udph->len=..............;//此处需要给udph->len赋值。
注意udph->len是__u16的。
存储时是高低位互换的，所以你应该先将你要更新的数字编成16进制的数，然后高低位互换，在赋值给udh->len。
udplen=new_skb->len;
new_skb->nh.ipv6h=ipv6h=（structipv6hdr*）skb_push（new_skb,sizeof（structipv6hdr））;
memcpy（ipv6h,&ipv6h_tmp,sizeof（structipv6hdr））;//同udp头注释。
ipb6h->payload_len=..........；//此处同udph->len.需要注意的是，此处所指的长度并不包括ipv6头的长度，而是去掉ipv6头后的长度。
udph->check=0;
udph->check=csum_ipv6_magic（&ipv6h->saddr,&ipv6h->daddr,udplen,IPPROTO_UDP,csum_partial（（char*）udph,udplen,0））;
///////////////注意，如果是ipv4，则还需要计算ip校验和，但此处是ipv6，不用计算ip检验和，所以此处没有ipv6头的校验。
//////////////////////////
new_skb->mac.raw=new_skb->data;//因为无mac头
new_skb->protocol=htons（ETH_P_IPV6）;//表明包是ipv6数据包
new_skb->pkt_type=PACKET_HOST;//表明是发往本机的包
new_skb->dev=&can_control;//此处很重要，如果没有这条语句，则内核跑死。
至少在我板子上是这样的。
can_control是我的net_device结构体变量。
netif_rx（new_skb）;
3，当需要改变原有skb的数据域的情况。
此时，有两种办法：
可以先判断skb的tailroom，如果空间够大，则我们可以把需要添加的数据放在skb的tailroom里。
如果tailroom不够大，则需要调用skb_copy_expand函数来扩充tailroom或者headroom。
例如我们需要在skb的后面加上一个16个字节的字符串，则代码类似如下：
if（skb_tailroom（skb）<16）
{
nskb=skb_copy_expand（skb,skb_headroom（skb）,skb_tailroom（skb）+16,GFP_ATOMIC）;
if（!
nskb）
{
printk（"lowmemory..../n"）;
dev_kfree_skb（skb）;
return-1;
}
else
{
kfree_skb（skb）;//注意，如果此时是钩子函数钩出来的，则skb不能在这里释放，否则会造成死机。
skb=nskb;
}
memcpy（skb_put（skb,16）,ipbuf,16）;//ipbuf为要加到skb后面的字符串
udplen=skb->len-sizeof（structipv6hdr）;
udph->len+=0x1000;//换成十进制为+16
ipv6h->payload_len+=0x1000;
udph->check=0;
udph->check=csum_ipv6_magic（&ipv6h->saddr,&ipv6h->daddr,udplen,IPPROTO_UDP,csum_partial（（char*）udph,udplen,0））;
skb->mac.raw=new_skb->data;//因为无mac头
skb->protocol=htons（ETH_P_IPV6）;//表明包是ipv6数据包
skb->pkt_type=PACKET_HOST;//表明是发往本机的包
skb->dev=&can_control;//此处很重要，如果没有这条语句，则内核跑死。
至少在我板子上是这样的。
can_control是我的net_device结构体变量。
netif_rx（skb）;
}
注意：
当调用skb_copy_expand或者修改了skb的数据域后，一定要更新udph->len和ipv6h->payload_len。
否则上层应用（比如udp套接字）收到的数据包还是原来的数据包而不是修改后的数据包，因为udph->len的原因。
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