17.10. Socket 缓存

17.10. Socket 缓存

我们现在已经涵盖到了大部分关于网络接口的问题. 还缺乏的是对 sk_buff 结构的详细描述.这个结构处于 Linux 内核网络子系统的核心, 我们现在介绍这个结构的重要成员和操作它们的函数.

尽管没有严格要求去理解 sk_buff 的内部, 能够查看它的内容的能力在你追踪问题和试图优化代码时是有帮助的. 例如, 如果你看 loopback.c, 你会发现一个基于对 sk_buff 内部了解的优化. 这里适用的通常的警告是: 如果你编写利用 sk_buff 结构的知识的代码, 你应当准备好在以后内核发行中它坏掉. 仍然, 有时性能优势值得额外的维护开销.

我们这里不会描述整个结构, 只是那些在驱动里可能用到的. 如果你想看到更多, 你可以查看 <linux/skbuff.h>, 那里定义了结构和函数原型. 关于如何使用这些成员和函数的额外的细节可以通过搜索内核源码很容易获取.

17.10.1. 重要成员变量

这里介绍的成员是驱动可能需要存取的. 以非特别的顺序列出它们.

struct net_device *dev;
接收或发送这个缓存的设备

union { / ... / } h;union { / ... / } nh;union { /... /} mac;
指向报文中包含的各级的头的指针. union 中的某个成员都是一个不同数据结构类型的指针. h 含有传输层头部指针(例如, struct tcphdr th); nh 包含网络层头部(例如 struct iphdr iph); 以及 mac 包含链路层头部指针(例如 struct ethkr * ethernet).

如果你的驱动需要查看 TCP 报文的源和目的地址, 可以在 skb->h.th 中找到. 看头文件来找到全部的可以这样存取的头部类型.

注意网络驱动负责设置进入报文的 mac 指针. 这个任务正常是由 eth_type_trans 处理, 但是 非以太网驱动不得不直接设置 skb->mac.raw, 如同"非以太网头部"一节所示.

unsigned char head;unsigned char data;unsigned char tail;unsigned char end;
用来寻址报文中数据的指针. head 指向分配内存的开始, data 是有效字节的开始(并且常常稍微比 head 大一些), tail 是有效字节的结尾, end 指向 tail 能够到达的最大地址. 查看它的另一个方法是可用缓存空间是 skb->end - skb->head, 当前使用的空间是 skb->tail - skb->data.

unsigned int len;unsigned int data_len;
len 是报文中全部数据的长度, 而 data_len 是报文存储于单个片中的部分的长度. 除非使用发散/汇聚 I/O, data_len 成员的值为 0.

unsigned char ip_summed;
这个报文的校验和策略. 由驱动在进入报文上设置这个成员, 如在"报文接收"一节中描述的.

unsigned char pkt_type;
在递送中使用的报文分类. 驱动负责设置它为 PACKET_HOST (报文是给自己的), PACKET_OTHERHOST (不, 这个报文不是给我的), PACKET_BROADCAST, 或者 PACKET_MULTICAST. 以太网驱动不显式修改 pkt_type, 因为 eth_type_trans 为它们做.

shinfo(struct sk_buff *skb);unsigned int shinfo(skb)->nr_frags;skb_frag_t shinfo(skb)->frags;
由于性能的原因, 有些 skb 信息存储于一个分开的结构中, 它在内存中紧接着 skb. 这个"shared info"(这样命名是因为它可以在网络代码中多个 skb 拷贝中共享)必须通过 shinfo 宏定义来存取. 这个结构中有几个成员, 但是大部分超出本书的范围. 我们在"发散/汇聚 I/O"一节中见过 nr_frags 和 frags.

在结构中剩下的成员不是特别有趣. 它们用来维护缓存列表, 来统计 socket 拥有的缓存大小, 等等.

17.10.2. 作用于 socket 缓存的函数

使用一个 sk_buff 结构的网络驱动利用正式接口函数来操作它. 许多函数操作一个 socket 缓存; 这里是最有趣的几个:

struct sk_buff alloc_skb(unsigned int len, int priority);struct sk_buff dev_alloc_skb(unsigned int len);
分配一个缓存区. alloc_skb 函数分配一个缓存并且将 skb->data 和 skb->tail 都初始化成 skb->head. dev_alloc_skb 函数是使用 GFP_ATOMIC 优先级调用 alloc_skb 的快捷方法, 并且在 skb->head 和 skb->data 之间保留了一些空间. 这个数据空间用在网络层之间的优化, 驱动不要动它.

void kfree_skb(struct sk_buff skb);void dev_kfree_skb(struct sk_buff skb);void dev_kfree_skb_irq(struct sk_buff skb);void dev_kfree_skb_any(struct sk_buff skb);
释放缓存. kfree_skb 调用由内核在内部使用. 一个驱动应当使用一种 dev_kfree_skb 的变体: 在非中断上下文中使用 dev_kfree_skb, 在中断上下文中使用 dev_kfree_skb_irq, 或者 dev_kfree_skb_any 在任何 2 种情况下.

unsigned char skb_put(struct sk_buff skb, int len);unsigned char __skb_put(struct sk_buff skb, int len);
更新 sk_buff 结构中的 tail 和 len 成员; 它们用来增加数据到缓存的结尾, 每个函数的返回值是 skb->tail 的前一个值(换句话说, 它指向刚刚创建的数据空间). 驱动可以使用返回值通过引用 memcpy(skb_put(...), data, len) 来拷贝数据或者一个等同的东东. 两个函数的区别在于 skb_put 检查以确认数据适合缓存, 而 __skb_put 省略这个检查.

unsigned char skb_push(struct sk_buff skb, int len);unsigned char __skb_push(struct sk_buff skb, int len);
递减 skb->data 和递增 skb->len 的函数. 它们与 skb_put 相似, 除了数据是添加到报文的开始而不是结尾. 返回值指向刚刚创建的数据空间. 这些函数用来在发送报文之前添加一个硬件头部. 又一次, __skb_push 不同在它不检查空间是否足够.

int skb_tailroom(struct sk_buff *skb);
返回可以在缓存中放置数据的可用空间数量. 如果驱动放了多于它能持有的数据到缓存中, 系统傻掉. 尽管你可能反对说一个 printk 会足够来标识出这个错误, 内存破坏对系统是非常有害的以至于开发者决定采取确定的动作. 实际中, 你不该需要检查可用空间, 如果缓存被正确地分配了. 因为驱动常常在分配缓存前获知报文的大小, 只有一个严重坏掉的驱动会在缓存中安放太多的数据, 这样出乱子就可当作一个应得的惩罚.

int skb_headroom(struct sk_buff *skb);
返回 data 前面的可用空间数量, 就是, 可以 "push" 给缓存多少字节.

void skb_reserve(struct sk_buff *skb, int len);
递增 data 和 tail. 这个函数可用来在填充数据前保留空间. 大部分以太网接口保留 2 个字节在报文的前面; 因此, IP 头对齐到 16 字节, 在 14 字节的以太网头后面. snull 也这样做, 尽管没有在"报文接收"一节中展现这个指令以避免在那时引入过多概念.

unsigned char skb_pull(struct sk_buff skb, int len);
从报文的头部去除数据. 驱动不会需要使用这个函数, 但是为完整而包含在这儿. 它递减 skb->len 和递增 skb->data; 这是硬件头如何从进入报文开始被剥离.

int skb_is_nonlinear(struct sk_buff *skb);
返回一个真值, 如果这个 skb 分离为多个片为发散/汇聚 I/O.

int skb_headlen(struct sk_buff *skb);
返回 skb 的第一个片的长度(由 skb->data 指着).

void kmap_skb_frag(skb_frag_t frag);void kunmap_skb_frag(void *vaddr);
如果你必须从内核中的一个非线性 skb 直接存取片, 这些函数为你映射以及去映射它们. 使用一个原子性 kmap, 因此你不能一次映射多于一个片.

内核定义了几个其他的作用于 socket 缓存的函数, 但是它们是打算用于高层网络代码, 驱动不需要它们.