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转载一篇Bridge的数据在内核处理流程，文章写的不错啊！
(2013-07-05 16:08:48)
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| 分类： linux学习文档 |
作者：林海枫
本文地址： http://blog.csdn.net/linyt/archive/2010/01/14/5191512.aspx
注：本文由作者所拥用，欢迎转载，但请全文转载并注明作者，请勿用于 任何商途。
本文分析的kernel版本为：2.6.24.4，网桥代码目录为：linux-2.6.24.4/net/bridge。
本文着重分析网桥的基本功能，关于STP的功能，我想从另写一篇文章进行分析。由于时间仓促，分析可能存在不足之外。
网桥是kernel网络模块中相于独立的module，读者具有简单的kernel网络设备驱动开发和kerenl网络协议的基础知识即可。我在2007 年就开始接触网桥了，当时有位同事为了测试网桥的功能，还特地查看了网桥的代码，还特意转告我一定要看看这部分的代码，他说比较简单，也很容易看个明白。 我当时在做Linux系统的测试工作，还未正式进行开发工作，虽然把代码查看了一翻，但由于经验关系，看得一窍不通。两年过去了，在Linux的开发过程 了，接触了kernel的机会也很多。去年3月份，阅读了kernel中网络子模块的部分代码。最近由于工作的需要，阅读了项目中网络驱动部分的代码，就 这样，目光转向了Linux网桥代码。遂有写此文之愿。
第一部分： 网桥的报文处理功能分析
1.1 Linux网桥的配置实例
在Linux里面使用网桥非常简单，仅需要做两件事情就可以配置了。其一是在编译内核里把CONFIG_BRIDGE或 CONDIG_BRIDGE_MODULE编译选项打开；其二是安装brctl工具。第一步是使内核协议栈支持网桥，第二步是安装用户空间工具，通过一系 列的ioctl调用来配置网桥。下面以一个相对简单的实例来贯穿全文，以便分析代码。
Linux机器有4个网卡，分别是eth0~eth4，其中eth0用于连接外网，而eth1, eth2, eth3都连接到一台PC机，用于配置网桥。只需要用下面的命令就可以完成网桥的配置：
Brctl addbr br0 (建立一个网桥br0, 同时在Linux内核里面创建虚拟网卡br0)
Brctl addif br0 eth1
Brctl addif br0 eth2
Brctl addif br0 eth3 (分别为网桥br0添加接口eth1, eth2和eth3)
其中br0作为一个网桥，同时也是虚拟的网络设备，它即可以用作网桥的管理端口，也可作为网桥所连接局域网的网关，具体情况视你的需求而定。要使用br0 接口时，必需为它分配IP地址。为正常工作，PC1, PC2，PC3和br0的IP地址必须分配在同一个网段。
1.2 网桥的数据结构
网桥的核心数据结构主要有：struct net_bridge和struct net_bridge_port这两个结构，当然还有通用的网络设备结构struct net_device。为了简单起见，我们以上述为例子，描述出此时它的静态结构。
每个网桥由struct net_bridge结构来维护，它主要的成员有：port_list，dev和hash。Port_list是一个双向链表，它元素的结构为 struct net_bridge_port，每个加入到网桥的设备都在里面占一个元素结点。Dev指针指向net_device变量，它存放网络设备br0的信息。 Hash是MAC地址的hash表，MAC地址的hash值为数组结构的下标，每个数组元素为链表，每个元素就是唯一的struct net_bridge_fdb_entry结构，以MAC地址为标识符。
1.3 网桥数据包入口
网桥是一种2层网络互连设备，而不是一种网络协议。它在协议结构上并没有占有一席之地，因此不能通过向协议栈注册协议的方式来申请网桥数据包的处理。相 反，网桥接口（如上述的eth1）的数据包和一般接口（如eth0）在格式上完全是一样的，不同之处是网桥在2层上就对它进行了转了，而一般接口要在3层 才能根据路由信息来决定是否要转发，如何转发。那么一个网络接口，在驱动处理完数据包后，怎么才知道该接口分配在一个网桥里面呢？其实很简单，当 brctl工具通过ioctl系统调用时，kernel为该添加的设备生成一个bridge_port结构并放到port_list链中，同时将该 bridge_port的值赋予设备net_device的br_port指针。因此，要识别接口是否属于某个网桥，只需判断net_device的 br_port指针是否不为空即可。
现假设PC1向PC2发送其个数据包，数据首先会由eth1网卡接收，此后网卡向CPU发送接收中断。当CPU执行当前指令后（如果开中断的话），马上跳 到网卡的驱动程去。Eth1的网卡驱动首先生成一个skb结构，然后对以太网层进行分析，最后驱动将该skb结构放到当前CPU的输入队列中，唤醒软中 断。如果没有其它中断的到来，那么软中断将调用netif_receive_skb函数。代码和分析如下所述：
[linux-2.6.24.4/net/core/dev.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
//当网络设备收到网络数据包时，最终会在软件中断环境里调用此函数
//检查该数据包是否有packet socket来接收该包，如果有则往该socket
//拷贝一份，由deliver_skb来完成。
list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
if (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev) {
if (pt_prev)
ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
pt_prev = ptype;
}
}
// 先试着将该数据包让网桥函数来处理，如果该数据包的入口接口确实是网桥接口，
// 则按网桥方式来处理，并且handle_bridge返回NULL，表示网桥已处理了。
// 如果不是网桥接口的数据包，则不应该让网桥来处理，handle_bridge返回skb，
// 后面代码会让协议栈来处理上层协议。
skb = handle_bridge(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
if (!skb)
goto out;
skb = handle_macvlan(skb, &pt_prev, &ret, orig_dev);
if (!skb)
goto out;
//对该数据包转达到它L3协议的处理函数
type = skb->protocol;
list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_base[ntohs(type)&15], list) {
if (ptype->type == type &&
(!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev)) {
if (pt_prev)
ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
pt_prev = ptype;
}
}
}
1.4
handle_bridge处理函数
[linux-2.6.24.4/net/core/dev.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static inline struct sk_buff *handle_bridge(struct sk_buff *skb,
struct packet_type **pt_prev, int *ret,
struct net_device *orig_dev)
{
struct net_bridge_port *port;
//如果该数据包产生于本机，而目标同时为本机。
if (skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK ||
//如果该数据包的输入接口不是网桥接口
(port = rcu_dereference(skb->dev->br_port)) == NULL)
// 以上两种情况都需要让上层协议进行处理
return skb;
if (*pt_prev) {
*ret = deliver_skb(skb, *pt_prev, orig_dev);
*pt_prev = NULL;
}
//数据包的入口接口是网桥接口。下面将按网桥逻辑进行处理。
//如假包换，数据包转达到真正的网桥处理函数
//br_handle_frame_hook在网桥模块的init函数被初始化为
//br_handle_frame
return br_handle_frame_hook(port, skb);
}
1.5 网桥处理逻辑
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- struct sk_buff *br_handle_frame(struct net_bridge_port *p, struct sk_buff *skb)
{
//所有网桥通信的数据包都会进入到这里，谓之为网桥处理函数
const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
int (*rhook)(struct sk_buff *skb);
if (!is_valid_ether_addr(eth_hdr(skb)->h_source))
goto drop;
//如果skb是share的，则拷贝一份
skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC);
if (!skb)
return NULL;
if (unlikely(is_link_local(dest))) {
if (skb->protocol == htons(ETH_P_PAUSE))
goto drop;
//如果该数据包的目标地址为STP协议的组播地址，并且该网桥启用STP功能，
//则，结束该数据包的处理，它将会在第(2)处理得到处理
if (p->br->stp_enabled != BR_NO_STP) {
if (NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, skb->dev,
NULL, br_handle_local_finish))
return NULL;
else
return skb;
}
// 如果该包是发往网桥组播的，但该网桥没有启用STP功能，则在下面处理，
// 并返回已处理的标识（返回NULL）来通知代码(2)处不需再处理。
}
switch (p->state) {
case BR_STATE_FORWARDING:
rhook = rcu_dereference(br_should_route_hook);
if (rhook != NULL) {
if (rhook(skb))
// 如果该接口处于Forwarding状态，并且该报文必需要走L3层
// 进行转发，则直接返回，让代码(2)进行处理。
// br_should_route_hook钩子函数在ebtable里面设置为ebt_broute函数，
//它根据用户的规则来决定该报文是否要能通过L3来转发。
return skb;
dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
}
case BR_STATE_LEARNING:
if (!compare_ether_addr(p->br->dev->dev_addr, dest))
//当用内核创建一个网桥的同时也会创建一个虚拟的网络设备，它的名字
//为网桥的名字，保存在p->br->dev指针里。P->br->dev和port_list里面的
//接口共同组成一个网桥。如果该报文是要发往此接，则标记skb->pkt_type为
//PACKET_HOST。因为报文最终是要发送到p->br->dev的输送队列里面，
//正如一般的网卡驱动程序将数据包送往到某个net_device的输入队列一样，
//这样bridge功能充当了虚拟网卡(如例子中的br0)驱动，应当设置
//skb->pkt_type
//为PACKET_HOST，表明数据包是要发送该接口，而非是因为打开混杂模式
//而接收到的。
skb->pkt_type = PACKET_HOST;
// 接着由br_handle_frame_finish函数继续处理。
NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_PRE_ROUTING, skb, skb->dev, NULL,
br_handle_frame_finish);
break;
default:
//其它状态下的端口，不能处理数据包，直接丢弃。
drop:
kfree_skb(skb);
}
// 该数据包要么被网桥处理了，要么处理时出错，不需要上层协议处理，
// 返回NULL，代码（2）处不会处理该报文。
return NULL;
}
1.6
br_handle_frame_finish函数
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int br_handle_frame_finish(struct sk_buff *skb)
{
const unsigned char *dest = eth_hdr(skb)->h_dest;
struct net_bridge_port *p = rcu_dereference(skb->dev->br_port);
struct net_bridge *br;
struct net_bridge_fdb_entry *dst;
struct sk_buff *skb2;
if (!p || p->state == BR_STATE_DISABLED)
goto drop;
//对所有报的源MAC地址进行学习，这是网桥的特点之一，
//通过对源地址的学习来建立MAC地址到端口的映射。
br = p->br;
br_fdb_update(br, p, eth_hdr(skb)->h_source);
if (p->state == BR_STATE_LEARNING)
goto drop;
// skb2指针表明，有数据要发往本机的网络接口，即p->br->dev接口。
skb2 = NULL;
// 如果应用程序要dump本机接口的数据，那么该数据包应往主机发一份，
// 一个明显的例子就是在用户在运行tcpdump –I br0或类似的程序。
if (br->dev->flags & IFF_PROMISC)
skb2 = skb;
dst = NULL;
if (is_multicast_ether_addr(dest)) {
// 如果该报文是一个L2多播报文（如arp请求），那么它应该转发到
// 该网桥的所有接口。
// 这同样是网桥的一个特点，广播和组播报文要转发到它的所有接口。
br->statistics.multicast++;
skb2 = skb;
} else if ((dst = __br_fdb_get(br, dest)) && dst->is_local) {
// __br_fdb_get函数先查MAC-端口映射表，这一步是网桥的关键。
// 这个报文应从哪个接口转发出去就看它了。
// 如果这个报文应发往本机，那么skb置空。不需要再转发了，
// 因为发往本机接口从逻辑上来说本身就是一个转发。
skb2 = skb;
skb = NULL;
}
if (skb2 == skb)
skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);
// skb2不为空，表明要发往本机，br_pass_frame_up函数来完成发往
// 本机的工作。
if (skb2)
br_pass_frame_up(br, skb2);
if (skb) {
if (dst)
// 由br_forward函数从dst所指向的端口将该报文发出去。
br_forward(dst->dst, skb);
else
// 此报文是广播或组播报文，由br_flood_forward函数把报文向所有
// 端口转发出去。
br_flood_forward(br, skb);
}
out:
return 0;
drop:
kfree_skb(skb);
goto out;
}
1.7
通过br_pass_frame_up函数将报文发往本机接口。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_input.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static void br_pass_frame_up(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb)
{
struct net_device *indev;
br->statistics.rx_packets++;
br->statistics.rx_bytes += skb->len;
indev = skb->dev;
skb->dev = br->dev;
//br->dev是一个虚拟的网络设备，这是网桥局域网通往本机的必经之道。
//请注意，br->dev是本机和网桥相连的接口。当报文经网桥处理后，发现
//该报文应该发往本机，那就使用netif_receive_skb函数将该报文向上层
//协议投递。并且要将skb->dev设置为本机接口即br->dev，并且所有数据在
//它的入口接口indev的驱动中已处理完毕，因此可直接通知上层协议来处理。
NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_LOCAL_IN, skb, indev, NULL,
netif_receive_skb);
}
1.8
通过br_forward函数将报文从另一个端口转发出去
[cpp] view plaincopyprint?
- void br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
if (should_deliver(to, skb)) {
__br_forward(to, skb);
return;
}
kfree_skb(skb);
}
Should_deliver函数来测试是否应将该包转发出去，它由出口端的状态和报文的入口端口信息来决定，它的定义如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static inline int should_deliver(const struct net_bridge_port *p,
const struct sk_buff *skb)
{
//1) 入口端口和出口端口不能相同，如果是相同的话，那么源主机和目标
// 主机在同一端口的子网段中，也即源主机和目标主机在同一广播域里面，
// 目标主机和网桥都会同时收到该报文，因此网桥无需多此一举。
//2) 如果出口端口的状态不是Forwarding，则不能转发出去。如果一个网桥
// 没有启用STP功能，并且网络接口的状态为UP，那么它网桥端口的状态
// 为Forwarding。如果启用STP，每个端口都有一个严格的状态，规定那些
// 端口在什么情况下才能成为Forwarding状态，否则容易造成环路，产生
// 网络风暴。
return (skb->dev != p->dev && p->state == BR_STATE_FORWARDING);
}
若报文的确需要转发，因为目标主机是在另一个子网段，而且没有其它网相连的网格端口可抵达该子网段（这里考虑到启用STP功能，如果搞不清楚可略过）。将调用__br_forward函数实施这一转发功能。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static void __br_forward(const struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
struct net_device *indev;
indev = skb->dev;
skb->dev = to->dev;
skb_forward_csum(skb);
// 通过br_forward_finish函数最终完成转发功能
NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_FORWARD, skb, indev, skb->dev,
br_forward_finish);
}
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int br_forward_finish(struct sk_buff *skb)
{
return NF_HOOK(PF_BRIDGE, NF_BR_POST_ROUTING, skb, NULL, skb->dev, br_dev_queue_push_xmit);
}
Br_dev_queue_push_xmit在调用dev_queue_xmit函数前做些必要的检查工作。例如，报文的长度比出口端口的MTU还大，则丢掉该报文。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int br_dev_queue_push_xmit(struct sk_buff *skb)
{
if (packet_length(skb) > skb->dev->mtu && !skb_is_gso(skb))
kfree_skb(skb);
else {
if (nf_bridge_maybe_copy_header(skb))
kfree_skb(skb);
else {
// 网桥在处理数据包里，只需拆包来获得目标MAC地址，而不需要
// 更改数据包的任何内容。但在入口网卡的驱动中已将以太网头部
// 剥掉，现在需要将它套上。Skb_push函数实现这一功能。
skb_push(skb, ETH_HLEN);
// 放到网卡输出队列里，该网卡驱动将它送出去。
dev_queue_xmit(skb);
}
}
return 0;
}
1.9
br_flood_forward 函数把报文转发到网桥所有出口端口
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- void br_flood_forward(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb)
{
br_flood(br, skb, __br_forward);
}
__br_forward代码已在前面分析过，它从指定的出口端口转发该报文。
而br_flood函数，把__br_forward函数作为回调函数，依次遍网桥的所有出口端，调用__br_forward函数将该报文转发出去。一
个广播报文从某一端口进入，应该其余的端口都应该转发出去，但入口端口就不需要了。下面的代码看似把报文从所有端口都转发一份，其实不
然，should_deliver会阻止这样的事情发生。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_forward.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static void br_flood(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb,
void (*__packet_hook)(const struct net_bridge_port *p,
struct sk_buff *skb))
{
struct net_bridge_port *p;
struct net_bridge_port *prev;
prev = NULL;
list_for_each_entry_rcu(p, &br->port_list, list) {
if (should_deliver(p, skb)) {
if (prev != NULL) {
struct sk_buff *skb2;
if ((skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL) {
br->statistics.tx_dropped++;
kfree_skb(skb);
return;
}
__packet_hook(prev, skb2);
}
prev = p;
}
}
if (prev != NULL) {
__packet_hook(prev, skb);
return;
}
kfree_skb(skb);
}
第二部分：网桥转发数据库的维护
众所周知，网桥需要维护一个MAC地址-端口映射表，端口是指网桥自身提供的端口，而MAC地址是指与端口相连的另一端的MAC地址。当网桥收到一个报文
时，先获取它的源MAC，更新数据库，然后读取该报文的目标MAC地址，查找该数据库，如果找到，根据找到条目的端口进行转发；否则会把数据包向除入口端
口以外的所有端口转发。
2.1 数据库的创建和销毁
数据库使用kmem_cache_create函数进行创建，使用kmem_cache_desctory进行销毁。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int __init br_fdb_init(void)
{
br_fdb_cache = kmem_cache_create("bridge_fdb_cache",
sizeof(struct net_bridge_fdb_entry),
0,
SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL);
if (!br_fdb_cache)
return -ENOMEM;
get_random_bytes(&fdb_salt, sizeof(fdb_salt));
return 0;
}
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- void br_fdb_fini(void)
{
kmem_cache_destroy(br_fdb_cache);
}
2.2 数据库更新
当网桥收到一个数据包时，它会获取该数据的源MAC地址，然后对数据库进行更新。如果该MAC地址不在数库中，则创新一个数据项。如果存在，更新它的年龄。数据库使用hash表的结构方式，便于高效查询。下面是hash功能代码的分析：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- void br_fdb_update(struct net_bridge *br, struct net_bridge_port *source,
const unsigned char *addr)
{
// br_mac_hash函数是hash表中的hash函数，具体算法过程可参阅该函数代码。
// br->hash就是数据库的hash表，每个hash值对应一个链表。数据库的每项为
// net_bridge_fdb_entry结构。
struct hlist_head *head = &br->hash[br_mac_hash(addr)];
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
if (hold_time(br) == 0)
return;
if (!(source->state == BR_STATE_LEARNING ||
source->state == BR_STATE_FORWARDING))
return;
fdb = fdb_find(head, addr);
if (likely(fdb)) {
// 接收到的MAC地址竟然是自己端口的MAC地址，确实不应该有这样的
// 事情发生。
if (unlikely(fdb->is_local)) {
if (net_ratelimit())
printk(KERN_WARNING "%s: received packet with "
" own address as source address/n",
source->dev->name);
} else {
// 收到该MAC地址的报文，更新它的年龄。
fdb->dst = source;
fdb->ageing_timer = jiffies;
}
} else {
spin_lock(&br->hash_lock);
if (!fdb_find(head, addr))
// 这是新的MAC地址，在数据库里为之创建一个数据项。
fdb_create(head, source, addr, 0);
spin_unlock(&br->hash_lock);
}
}
2.3 创建数据项
在更新函数里面已为某一MAC找到了它所属于的Hash链表，因此，创建函数只需要在该链上添加一个数据项即可。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static struct net_bridge_fdb_entry *fdb_create(struct hlist_head *head,
struct net_bridge_port *source,
const unsigned char *addr,
int is_local)
{
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
fdb = kmem_cache_alloc(br_fdb_cache, GFP_ATOMIC);
if (fdb) {
memcpy(fdb->addr.addr, addr, ETH_ALEN);
atomic_set(&fdb->use_count, 1);
hlist_add_head_rcu(&fdb->hlist, head);
fdb->dst = source;
fdb->is_local = is_local;
fdb->is_static = is_local;
fdb->ageing_timer = jiffies;
}
return fdb;
}
2.4 查找数据项。
网桥的数据项查找与一般的查找类似，但略有不同。前面提到，如果要更新一MAC地址，不管该地址是否已经过期了，只需遍历该MAC地址对应的Hash链
表，然后更新年龄，此时它肯定不过期了。但网桥要转发数据时，除了要找到该目标MAC的出口端口外，还要判断该记录是否过期了。因此，数据项的查找有两
种，一种用于更新，另一用于转发。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static inline struct net_bridge_fdb_entry *fdb_find(struct hlist_head *head,
const unsigned char *addr)
{
struct hlist_node *h;
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
hlist_for_each_entry_rcu(fdb, h, head, hlist) {
if (!compare_ether_addr(fdb->addr.addr, addr))
return fdb;
}
return NULL;
}
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- struct net_bridge_fdb_entry *__br_fdb_get(struct net_bridge *br,
const unsigned char *addr)
{
struct hlist_node *h;
struct net_bridge_fdb_entry *fdb;
hlist_for_each_entry_rcu(fdb, h, &br->hash[br_mac_hash(addr)], hlist) {
if (!compare_ether_addr(fdb->addr.addr, addr)) {
if (unlikely(has_expired(br, fdb)))
break;
return fdb;
}
}
return NULL;
}
除了__br_fdb_get函数多调用了has_expired外，其余无一不同。Has_expired函数来决定该数据项是否是过期的，代码如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_fdb.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static inline int has_expired(const struct net_bridge *br,
const struct net_bridge_fdb_entry *fdb)
{
// 如果该数据项是静态的，即不是学习过来的，它永远不会过期。因为它就是
// 网桥自己端口的地址。
// 如果现在时间，与该数据项的最近更新时间和可保留时间之和相等，
// 或者更早，则为过期。
return !fdb->is_static
&& time_before_eq(fdb->ageing_timer + hold_time(br), jiffies);
}
// 数据项的可保留时间根据拓扑结构是否改变来决定，改变则为forward_delay，
// 否则为ageing_time。
static inline unsigned long hold_time(const struct net_bridge *br)
{
return br->topology_change ? br->forward_delay : br->ageing_time;
}
第三部分： ioctl管理网桥
3.1 通过ioctl系统调用创建网桥
仍然以前的配置作为例，我们分用户空间程序brctl是如何通过ioctl系统调用在kernel空间内创建上述的数据结构。创建网桥，我们不需要预知任
何网络设备信息，因此我们通过ioctl来创建网桥时不应该与任何网络设备绑定到一起。网桥模块为此ioctl函数提供了一个恰如其分的名字
br_ioctl_deviceless_stub。Brctl工具使用的ioctl系统调用最终会调用此函数，它相关代码如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br.c]
brioctl_set(br_ioctl_deviceless_stub);
[linux-2.6.24.4/net/socket.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- void brioctl_set(int (*hook) (struct net *, unsigned int, void __user *))
{
mutex_lock(&br_ioctl_mutex);
br_ioctl_hook = hook;
mutex_unlock(&br_ioctl_mutex);
}
用户空间程序使用网桥相关的命令来调用ioctl函数时，它经kernel依据命令所属的分类分派到sock_ioctl函数。在sock_ioctl函
数里面，当ioctl命令为SIOCGIFBR，SIOCSIFBR， SIOCBRADDBR
和SIOCBRDELBR，它将ioctl的请求转发到br_ioctl_deviceless_stub函数。
Br_ioctl_deviceless_stub函数代码和分析如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_ioctl.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int br_ioctl_deviceless_stub(struct net *net, unsigned int cmd, void __user *uarg)
{
switch (cmd) {
case SIOCGIFBR:
case SIOCSIFBR:
// 这两个网桥命令是比较老式的，我们在这里不作讨论
return old_deviceless(uarg);
// 新式的网桥ioctl命令有两个，添加新网桥和删除现有的网桥
// 需要用户空间提供网桥的名字。
case SIOCBRADDBR:
case SIOCBRDELBR:
{
char buf[IFNAMSIZ];
if (!capable(CAP_NET_ADMIN))
return -EPERM;
if (copy_from_user(buf, uarg, IFNAMSIZ))
return -EFAULT;
buf[IFNAMSIZ-1] = 0;
if (cmd == SIOCBRADDBR)
return br_add_bridge(buf);
return br_del_bridge(buf);
}
}
return -EOPNOTSUPP;
}
该函数调用br_add_bridge和br_del_brdge函数的实现新建和删除网桥的功能。由于这两个函数所完成的事情刚好相反，在此，我们只讨论br_add_bridge的代码：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_if.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int br_add_bridge(const char *name)
{
struct net_device *dev;
int ret;
// 创建网桥的核心工作，创建一个与网桥同名的网络设备。
// 可以通过该设备分配的IP地址来管理该网桥。 同时该设备
// 是虚拟的设备，它的接收包和发送包处理函数与一般的真实网卡
// 设备不同。
dev = new_bridge_dev(name);
if (!dev)
return -ENOMEM;
rtnl_lock();
if (strchr(dev->name, '%')) {
ret = dev_alloc_name(dev, dev->name);
if (ret < 0) {
free_netdev(dev);
goto out;
}
}
// 向kernel注册该网桥设备，这样在用户空间就以使用
// ifconfig来为之分配IP，或通ioctl来对该网桥添加新的接口。
ret = register_netdevice(dev);
if (ret)
goto out;
ret = br_sysfs_addbr(dev);
if (ret)
unregister_netdevice(dev);
out:
rtnl_unlock();
return ret;
}
现在创建网桥设备的任务落到new_bridge_dev的身上。New_bridge_dev函数的功能与一般的网卡驱动初化为代码非常类似的。因为这里段代就创建一个网桥设备，从这个层面来说，这段代码也算是驱动代码，结构和真实驱动非常类似。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_if.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- static struct net_device *new_bridge_dev(const char *name)
{
struct net_bridge *br;
struct net_device *dev;
// 分配net_device结构，它的priv数据为net_bridge结构体。
// br_dev_setup函数初化了net_device结构的很多函数指针。
dev = alloc_netdev(sizeof(struct net_bridge), name,
br_dev_setup);
if (!dev)
return NULL;
br = netdev_priv(dev);
br->dev = dev;
spin_lock_init(&br->lock);
INIT_LIST_HEAD(&br->port_list);
spin_lock_init(&br->hash_lock);
br->bridge_id.prio[0] = 0x80;
br->bridge_id.prio[1] = 0x00;
….
return dev;
}
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_device.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- void br_dev_setup(struct net_device *dev)
{
// 为该网桥设备随机分配MAC地址
random_ether_addr(dev->dev_addr);
// 初始化dev的部分函数指针，因为目前网桥设备主适用于以及网
// 以太网的部分功能对它也适用。
ether_setup(dev);
// 设置设备的ioctl函数为br_dev_ioctl。下面可以看到通过该ioctl函数
// 来为网桥添加网络接口。
dev->do_ioctl = br_dev_ioctl;
// 网桥与一般网卡不同，网桥统一统计它的数据包和字节数等信息。
dev->get_stats = br_dev_get_stats;
// 网桥接口的数据包发送函数，真实设备要向外发送数据时，是通过
// 网卡向外发送数据。而该网桥设备要向外发送数据时，它的处理逻辑与
// 网桥其它接口的基本一致。
dev->hard_start_xmit = br_dev_xmit;
dev->open = br_dev_open;
dev->set_multicast_list = br_dev_set_multicast_list;
dev->change_mtu = br_change_mtu;
dev->destructor = free_netdev;
SET_ETHTOOL_OPS(dev, &br_ethtool_ops);
dev->stop = br_dev_stop;
dev->tx_queue_len = 0;
dev->set_mac_address = br_set_mac_address;
dev->priv_flags = IFF_EBRIDGE;
dev->features = NETIF_F_SG | NETIF_F_FRAGLIST | NETIF_F_HIGHDMA |
NETIF_F_GSO_MASK | NETIF_F_NO_CSUM | NETIF_F_LLTX;
}
3.2 通过ioctl系统调用为网桥添加端口
仅仅创建网桥，还是不够的。实际应用中的网桥需要添加实际的端口（即物理接口），如例子中的eth1,
eth2等。应用程序在使用ioctl来为网桥增加物理接口，br_dev_ioctl的代码和分析如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_ioctl.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- // dev 为网桥接口，ifreq 为添加/删除的物理接口的参数
int br_dev_ioctl(struct net_device *dev, struct ifreq *rq, int cmd)
{
struct net_bridge *br = netdev_priv(dev);
switch(cmd) {
case SIOCDEVPRIVATE:
return old_dev_ioctl(dev, rq, cmd);
case SIOCBRADDIF:
case SIOCBRDELIF:
return add_del_if(br, rq->ifr_ifindex, cmd == SIOCBRADDIF);
}
pr_debug("Bridge does not support ioctl 0x%x/n", cmd);
return -EOPNOTSUPP;
}
这段代码一目了然，通过add_del_if函数来控制网桥的物理接口，该函数的代码和分析如下：
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_ioctl.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- // br 网桥，ifindex 添加/删除物理接口的index
static int add_del_if(struct net_bridge *br, int ifindex, int isadd)
{
struct net_device *dev;
int ret;
if (!capable(CAP_NET_ADMIN))
return -EPERM;
dev = dev_get_by_index(&init_net, ifindex);
if (dev == NULL)
return -EINVAL;
if (isadd)
ret = br_add_if(br, dev);
else
ret = br_del_if(br, dev);
dev_put(dev);
return ret;
}
具体的代码在br_add_if和br_del_if中，出于讨论的方便，我们只分析br_add_if函数。
[linux-2.6.24.4/net/bridge/br_if.c]
[cpp] view plaincopyprint?
- int br_add_if(struct net_bridge *br, struct net_device *dev)
{
struct net_bridge_port *p;
int err = 0;
// Kernel仅支持以太网网桥
if (dev->flags & IFF_LOOPBACK || dev->type != ARPHRD_ETHER)
return -EINVAL;
// 把网桥接口当作物理接口加入到另一个网桥中，是不行的。
// 逻辑和代码上都会出现 loop
if (dev->hard_start_xmit == br_dev_xmit)
return -ELOOP;
// 该物理接口加绑定到另一个网桥了。
if (dev->br_port != NULL)
return -EBUSY;
// 为该接口创建一个网桥端口数据，并初始化好该端口的相关
// 数据，详情可参阅该函数代码。
p = new_nbp(br, dev);
if (IS_ERR(p))
return PTR_ERR(p);
err = kobject_add(&p->kobj);
if (err)
goto err0;
// 将该接口的物理地址写入到 MAC-端口映射表中。
// 该MAC是属于网桥内部端口的固定MAC地址，
// 它在fdb中的记录是固定的，不会失效（agged）
err = br_fdb_insert(br, p, dev->dev_addr);
if (err)
goto err1;
err = br_sysfs_addif(p);
if (err)
goto err2;
rcu_assign_pointer(dev->br_port, p);
// 打开该接口的混杂模式，网桥中的各个端口必须处于
// 混杂模式，网桥才能正确工作。
dev_set_promiscuity(dev, 1);
// 加到端口列表
list_add_rcu(&p->list, &br->port_list);
spin_lock_bh(&br->lock);
br_stp_recalculate_bridge_id(br);
br_features_recompute(br);
if ((dev->flags & IFF_UP) && netif_carrier_ok(dev) &&
(br->dev->flags & IFF_UP))
br_stp_enable_port(p);
spin_unlock_bh(&br->lock);
br_ifinfo_notify(RTM_NEWLINK, p);
dev_set_mtu(br->dev, br_min_mtu(br));
kobject_uevent(&p->kobj, KOBJ_ADD);
return 0;
err2:
br_fdb_delete_by_port(br, p, 1);
err1:
kobject_del(&p->kobj);
err0:
kobject_put(&p->kobj);
return err;
}
第四部分： 总结
网桥是2层的网格连接设备，它工作在协议栈的第二层。本文以简单的例子作为基础，分析网桥处理报文，更新MAC-端口映射表，和如何控制网桥和端口的功
能。文中帖上了大量的关键代码，并以代码加上注释这种贴近程序员的方式来分析代码。对于缺少kernel网络编程经验的朋友，在某些代码处，写了在背景知
识的分析和解释。
