linux之网络子系统-MAC帧、数据报、段的头部信息

本文主要是介绍linux之网络子系统-MAC帧、数据报、段的头部信息，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、MAC帧格式

MAC帧是属于链路层，网卡发送数据的格式。

MAC帧主要有两种格式，一种是以太网V2标准，一种是IEEE 802.3，常用的是前者。

DMAC（Destination MAC）是目的MAC地址。DMAC字段长度为6个字节，标识帧的接收者。
SMAC（Source MAC）是源MAC地址。SMAC字段长度为6个字节，标识帧的发送者。
Type（类型字段）用于标识数据字段中包含的高层协议，该字段长度为2个字节。类型字段值为 0x0800的帧代表IP协议帧；类型字段值为0806的帧代表ARP协议帧。
Data（数据字段）是网络层数据，最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节，数据字段的最大长度为1500字节。
FCS（循环冗余校验字段）提供了一种错误检测机制。该字段长度为4个字节。

类型只有2个，主要是由于目前的协议栈

要么就是应用层发送数据时使用底层的ip协议
要么就是在发送数据时未找到对方信息ip/mac，这时候就需要通过arp协议寻找对方信息，寻找到以后保存在协议栈中

下面是MAC头部信息的数据信息：（因为是调用ARP层函数接口拷贝硬件header 信息，目前还没有对arp 协议深入研究，只能通过下面头文件反推MAC头部信息）

#define ETH_ALEN 6 /* Octets in one ethernet addr */

struct ethhdr {
unsigned char h_dest[ETH_ALEN]; /* destination eth addr */
unsigned char h_source[ETH_ALEN]; /* source ether addr */
__be16 h_proto; /* packet type ID field */
} __attribute__((packed));

组装后的包：

MAC头部信息，在IP层是如何添加的？

MAC头部信息是在arp 协议接口里面进行赋值的。下面展示一下具体源码：

ip_output->ip_finish_ouput->ip_finish_output2->neigh_output

static int ip_finish_output2(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{struct dst_entry *dst = skb_dst(skb);struct rtable *rt = (struct rtable *)dst;struct net_device *dev = dst->dev;unsigned int hh_len = LL_RESERVED_SPACE(dev);struct neighbour *neigh;bool is_v6gw = false;if (rt->rt_type == RTN_MULTICAST) {IP_UPD_PO_STATS(net, IPSTATS_MIB_OUTMCAST, skb->len);} else if (rt->rt_type == RTN_BROADCAST)IP_UPD_PO_STATS(net, IPSTATS_MIB_OUTBCAST, skb->len);/* Be paranoid, rather than too clever. */if (unlikely(skb_headroom(skb) < hh_len && dev->header_ops)) {struct sk_buff *skb2;skb2 = skb_realloc_headroom(skb, LL_RESERVED_SPACE(dev));if (!skb2) {kfree_skb(skb);return -ENOMEM;}if (skb->sk)skb_set_owner_w(skb2, skb->sk);consume_skb(skb);skb = skb2;}if (lwtunnel_xmit_redirect(dst->lwtstate)) {int res = lwtunnel_xmit(skb);if (res < 0 || res == LWTUNNEL_XMIT_DONE)return res;}rcu_read_lock_bh();neigh = ip_neigh_for_gw(rt, skb, &is_v6gw);if (!IS_ERR(neigh)) {int res;sock_confirm_neigh(skb, neigh);/* if crossing protocols, can not use the cached header */res = neigh_output(neigh, skb, is_v6gw); // 调用arp 层的函数接口rcu_read_unlock_bh();return res;}rcu_read_unlock_bh();net_dbg_ratelimited("%s: No header cache and no neighbour!\n",__func__);kfree_skb(skb);return -EINVAL;
}

在ip_finish_oupt 中，是调用了 GSO 的函数接口，在ip 层分段之后。接着开始在ip_finish_output2 中调用arp函数接口，把MAC头部信息添加上。因为ARP层有ARP表，可以查询目的地址。MAC头部信息添加之后，在调用网络设备接口层函数，其实是回调加载驱动的函数。

接着看ARP 层的函数接口：neigh_output

static inline int neigh_output(struct neighbour *n, struct sk_buff *skb,bool skip_cache)
{const struct hh_cache *hh = &n->hh;  // 硬件头部信息缓存/* n->nud_state and hh->hh_len could be changed under us.* neigh_hh_output() is taking care of the race later.*/if (!skip_cache &&(READ_ONCE(n->nud_state) & NUD_CONNECTED) &&READ_ONCE(hh->hh_len))return neigh_hh_output(hh, skb); //调用硬件头部信息缓存return n->output(n, skb);
}

接着neigh_hh_output

static inline int neigh_hh_output(const struct hh_cache *hh, struct sk_buff *skb)
{unsigned int hh_alen = 0;unsigned int seq;unsigned int hh_len;do {seq = read_seqbegin(&hh->hh_lock);hh_len = READ_ONCE(hh->hh_len);if (likely(hh_len <= HH_DATA_MOD)) {hh_alen = HH_DATA_MOD;/* skb_push() would proceed silently if we have room for* the unaligned size but not for the aligned size:* check headroom explicitly.*/if (likely(skb_headroom(skb) >= HH_DATA_MOD)) {/* this is inlined by gcc */memcpy(skb->data - HH_DATA_MOD, hh->hh_data,HH_DATA_MOD);// 拷贝硬件头部缓存信息}} else {hh_alen = HH_DATA_ALIGN(hh_len);if (likely(skb_headroom(skb) >= hh_alen)) {memcpy(skb->data - hh_alen, hh->hh_data,hh_alen);}}} while (read_seqretry(&hh->hh_lock, seq));if (WARN_ON_ONCE(skb_headroom(skb) < hh_alen)) {kfree_skb(skb);return NET_XMIT_DROP; //headroom 空间不够，会丢包}__skb_push(skb, hh_len); //移动data 的指针return dev_queue_xmit(skb);// 发送到网络设备接口层，这是发送到硬件驱动了
}

严格一点来说，MAC头部信息其实是在ARP协议层里完成的。

（自己看代码发现，不一定准确）拿lo 网卡来说，调用ARP的函数接口如下：

第一种情况：

调用 neigh_output 函数中的 n->output(n, skb);
然后output 声明如下：

static const struct neigh_ops arp_direct_ops = {.family =               AF_INET,.output =               neigh_direct_output,.connected_output =     neigh_direct_output,
};

接着neigh_resolve_output

int neigh_direct_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
{return dev_queue_xmit(skb);
}
EXPORT_SYMBOL(neigh_direct_output);

这样是直接本地回环发送数据包。

第二种情况：

output 声明如下：

static const struct neigh_ops arp_generic_ops = {.family =               AF_INET,.solicit =              arp_solicit,.error_report =         arp_error_report,.output =               neigh_resolve_output,.connected_output =     neigh_connected_output,
};

接着neigh_resolve_output

/* Slow and careful. */int neigh_resolve_output(struct neighbour *neigh, struct sk_buff *skb)
{int rc = 0;if (!neigh_event_send(neigh, skb)) {int err;struct net_device *dev = neigh->dev;unsigned int seq;if (dev->header_ops->cache && !READ_ONCE(neigh->hh.hh_len))neigh_hh_init(neigh);do {__skb_pull(skb, skb_network_offset(skb));seq = read_seqbegin(&neigh->ha_lock);err = dev_hard_header(skb, dev, ntohs(skb->protocol),neigh->ha, NULL, skb->len);// 硬件设备头部信息MAC} while (read_seqretry(&neigh->ha_lock, seq));if (err >= 0)rc = dev_queue_xmit(skb);elsegoto out_kfree_skb;}
out:return rc;
out_kfree_skb:rc = -EINVAL;kfree_skb(skb);goto out;
}
EXPORT_SYMBOL(neigh_resolve_output);

接着dev_hard_header

static inline int dev_hard_header(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,unsigned short type,const void *daddr, const void *saddr,unsigned int len)
{if (!dev->header_ops || !dev->header_ops->create)return 0;return dev->header_ops->create(skb, dev, type, daddr, saddr, len);
}

其实就是调用 header_ops 的定义好的函数接口，声明如下：

路径：kernel/net/ethernet/eth.c:347

const struct header_ops eth_header_ops ____cacheline_aligned = {.create         = eth_header,.parse          = eth_header_parse,.cache          = eth_header_cache,.cache_update   = eth_header_cache_update,.parse_protocol = eth_header_parse_protocol,
};

接着看eth_header

/*** eth_header - create the Ethernet header* @skb:        buffer to alter* @dev:        source device* @type:       Ethernet type field* @daddr: destination address (NULL leave destination address)* @saddr: source address (NULL use device source address)* @len:   packet length (<= skb->len)*** Set the protocol type. For a packet of type ETH_P_802_3/2 we put the length* in here instead.*/
int eth_header(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,unsigned short type,const void *daddr, const void *saddr, unsigned int len)
{struct ethhdr *eth = skb_push(skb, ETH_HLEN);if (type != ETH_P_802_3 && type != ETH_P_802_2)eth->h_proto = htons(type);elseeth->h_proto = htons(len);/**      Set the source hardware address.*/if (!saddr)saddr = dev->dev_addr;memcpy(eth->h_source, saddr, ETH_ALEN);if (daddr) {memcpy(eth->h_dest, daddr, ETH_ALEN);return ETH_HLEN;}/**      Anyway, the loopback-device should never use this function...*/if (dev->flags & (IFF_LOOPBACK | IFF_NOARP)) {eth_zero_addr(eth->h_dest);return ETH_HLEN;}return -ETH_HLEN;
}
EXPORT_SYMBOL(eth_header);

这就完成了MAC头部信息的拷贝。

在IP层，只是把mac_header 空间保留出来，在后面arp 层，才是实际赋值数据的操作。

二、IP 头部结构的定义

struct iphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)__u8    ihl:4,version:4; 
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)__u8    version:4,ihl:4;版本信息(前4位)，头长度(后4位)
#else
#error  "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif__u8    tos;//服务类型8位__be16  tot_len;//数据包长度__be16  id;//数据包标识__be16  frag_off;//分片使用__u8    ttl;//存活时间__u8    protocol;//协议类型__sum16 check;//校验和__be32  saddr; //源ip__be32  daddr;//目的ip/*The options start here. */
};

注意：ip报文头20个字节，但是在实际的数据包中可能长度大于20（有一些选项）

三、tcp 头部结构定义

struct tcphdr {__be16  source; // 源端口号16bit__be16  dest; // 目的端口号16bit__be32  seq; // 序列号32bit__be32  ack_seq; // 确认号32bit
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)__u16   res1:4,doff:4,fin:1,syn:1,rst:1,psh:1,ack:1,urg:1,ece:1,cwr:1;
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)__u16   doff:4,res1:4,cwr:1,ece:1,urg:1,ack:1,psh:1,rst:1,syn:1,fin:1;// 前4位：TCP头长度；中6位：保留；后6位：标志位
#else
#error  "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"
#endif__be16  window; // 窗口大小16bit__sum16 check; // 检验和16bit__be16  urg_ptr;  // 紧急数据偏移量16bit
};

注意：tcp报文头20个字节，但是在实际的数据包中可能长度大于20（有一些选项）

四、udp 头部结构定义

struct udphdr {__be16  source;  // 源端口号16bit__be16  dest;   // 目的端口号16bit__be16  len;    // 数据包长度16bit__sum16 check;   // 校验和16bit
};

注意：udp报文头8个字节

五、arp 报文格式

上面28字节的具体内容：

硬件类型：占两字节，表示ARP报文可以在哪种类型的网络上传输，值为1时表示为以太网地址。
上层协议类型：占两字节，表示硬件地址要映射的协议地址类型，映射IP地址时的值为0x0800。
MAC地址长度：占一字节，标识MAC地址长度，以字节为单位，此处为6。
IP协议地址长度：占一字节，标识IP得知长度，以字节为单位，此处为4。
操作类型：占2字节，指定本次ARP报文类型。1标识ARP请求报文，2标识ARP应答报文。
源MAC地址：占6字节，标识发送设备的硬件地址。
源IP地址：占4字节，标识发送方设备的IP地址。
目的MAC地址：占6字节，表示接收方设备的硬件地址，在请求报文中该字段值全为0，即00-00-00-00-00-00，表示任意地址，因为现在不知道这个MAC地址。
目的IP地址：占4字节，表示接受方的IP地址。

arp报文在组装，才能调用网卡驱动。

ARP报文不是直接在网络层上发送的，它还是需要向下传输到数据链路层，所以当ARP报文传输到数据链路层之后，需要再次进行封装。以以太网为例，ARP报文传输到以太网数据链路层后会形成ARP帧。ARP帧如下图所示，他就是在ARP报文前面加了一个以太网帧头。