Linux内核IP Queue机制的分析(三)――ip_queue内核模块的分析

Linux内核IP Queue机制的分析(三)――ip_queue内核模块的分析
2010年09月25日
　　 reference:http://linux.chinaunix.net/bbs/thread-1152070-1-1.html
　　本文分析ip_queue的内核态源码。文中如有任何疏漏和差错，欢迎各位朋友指正。
　　本文欢迎自由转载，但请标明出处，并保证本文的完整性。
　　作者：Godbach
　　Blog：http://Godbach.cublog.cn
　　日期：2010/01/04
　　本系列的前两篇文章如下：
　　1. Linux内核IP Queue机制的分析（一）――用户态接收数据包
　　http://blog.chinaunix.net/u/33048/showart_1678213.html
　　2. Linux内核IP Queue机制的分析（二）――用户态处理并回传数据包
　　http://blog.chinaunix.net/u/33048/showart_1839753.html
　　本文大纲如下：
　　一、IP Queue的生效
　　二、网络层中IP报文进入IP Queue的流程
　　三、ip_queue代码分析
　　（一）数据结构的定义
　　（二）ip_queue模块的加载和卸载
　　（三）ip_queue报文入队处理函数的注册
　　（四）入队函数ipq_enqueue_packet ―― 发送数据包到用户空间
　　（五）接收和处理用户空间的配置―― 接收用户空间的数据包
　　（六）数据包的最终处理
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　　一、IP Queue的生效
　　数据包能够进入ip_queue模块，需要两个动作：
　　（1）模块的加载：modprobe ip_queue
　　（2）NF上对数据包执行NF_QUEUE的动作，这个可以通过用户态配置一条iptables规则实现：
　　iptables -A INPUT -p tcp --dport 21 -j QUEUE
　　这里假设对发往本机的TCP报文端口为21的进行QUEUE。
　　有了以上两个步骤， 所有匹配到（2）中的报文将会调用IP Queue模块的相关函数。
　　二、网络层中IP报文进入IP Queue的流程
　　本文中分析的代码的内核版本为2.6.18.3.
　　这里我们以本地接收报文为例，如果是转发的报文，可比照着分析即可。
　　IP层接收报文的函数为：ip_rcv()（ip_input.c）。该函数对报文进行一些初步的检查后，就将报文交给PREROUTING Hook点注册的钩子函数处理：
　　return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_PRE_ROUTING, skb, dev, NULL,
　　ip_rcv_finish);
　　复制代码
　　由以上代码可见，报文经过钩子函数之后，由ip_rcv_finish()接着处理。该函数主要完成数据报文的路由查找。
　　如果是发往本地的报文，则会调用ip_local_deliver()函数：
　　return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_IN, skb, skb->dev, NULL,
　　ip_local_deliver_finish);
　　复制代码
　　该函数主要功能就是将报文交给NF_IP_LOCAL_IN hook点的钩子函数进行处理。我们在第一部分中添加的一条iptables规则就是对于经过INPUT链的TCP报文且目的端口21执行动作QUEUE。如果此时用户空间已经开启socket等待接收IP Queue报文的话，那么对应的报文就会进入用户空间，然后就可以参照我们之前提供的用户空间例程进行处理。
　　这里，我们简单列出在NF_IP_LOCAL_IN中NF_HOOK宏的调用函数过程：
　　NF_HOOK()->NF_HOOK_THRESH()->nf_hook_thresh()->nf_hook_slow()
　　当nf_hook_slow函数返回值为NF_QUEUE时，进一步调用nf_queue()。该函数对所有动作为QUEUE的报文进行处理，其中关键的一行代码如下：
　　status = queue_handler[pf]->outfn(*skb, info, queuenum,
　　queue_handler[pf]->data);
　　复制代码
　　这行代码就是将报文按照IP层的协议交给对应的queue handler。IPv4协议中注册的queue handler为ipq_enqueue_packet()，即我们要分写ip_queue模块的代码。
　　至此，需要QUEUE的报文已经走入了我们要分析ip_queue，我们下面就开始走入正题，分析ip_queue的代码。
　　三、ip_queue代码分析
　　ip_queue模块的代码较为简单，包含ip_queue.h和ip_queue.c。我们将分别该两个源文件进行分析。
　　（一）数据结构的定义
　　ip_queue模块的数据结构定义在头文件ip_queue.h中，主要定义了用于在内核态和用户态传输数据的相关数据结构。其代码如下：
　　/*
　　* This is a module which is used for queueing IPv4 packets and
　　* communicating with userspace via netlink.
　　*
　　* (C) 2000 James Morris, this code is GPL.
　　*/
　　#ifndef _IP_QUEUE_H
　　#define _IP_QUEUE_H
　　#ifdef __KERNEL__
　　#ifdef DEBUG_IPQ
　　#define QDEBUG(x...) printk(KERN_DEBUG ## x)
　　#else
　　#define QDEBUG(x...)
　　#endif  /* DEBUG_IPQ */
　　#else
　　#include
　　#endif        /* ! __KERNEL__ */
　　/* 内核态发送到用户态的消息的数据结构*/
　　typedef struct ipq_packet_msg {
　　unsigned long packet_id;        /* ID of queued packet */
　　unsigned long mark;                /* Netfilter mark value */
　　long timestamp_sec;                /* Packet arrival time (seconds) */
　　long timestamp_usec;                /* Packet arrvial time (+useconds) */
　　unsigned int hook;                /* Netfilter hook we rode in on */
　　char indev_name[IFNAMSIZ];        /* Name of incoming inte