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スタックの階層 スタックの特徴 全体図 ネットワークの実装 プロトコル登録・削除 ソケットシステムコール ラッパーとして実装 送受信データ glibc によるラッパー sockfs struct sk_buff NICとカーネルIF IPv4ソケット作成 ルーティング仕組み ルーティング処理 受信処理 送信処理 IPヘッダチェックサム リアセンブル処理 ARP解決 ICMP UDP |
LinuxのTCP/IPプロトコルスタックの階層 ・システムコールインターフェース ・（VFS） ・ソケット層 任意のプロセス間での通信インターフェース 下位層へ様々な通信プロトコルを定義 遠隔地ホスト上のプロセスとも通信可・INET ・TCP、UDP、IP ・IP層（ネットワーク層） ・イーサネット LinuxのTCP/IPプロトコルスタックの特徴 ・新規にストレートな実装を採用（STREAMS等の汎用機構は使わない） ・階層構造をもつ イーサネット等の物理デバイスを制御するデバイスドライバ上にIPプロトコルドライバ を配置、IPプロトコルドライバ上にTCP・UDP・ICMPプロトコルドライバを配置・積極的に遅延処理を用いて、スループットを向上 ・マルチプロセッサ構成時に実行並列度が向上するように工夫 ・ネットワーク実装の全体図
Linuxのネットワーク（Berkeley ソケットインターフェース）実装 ・プロセス（APがNWを利用） ・socket/file interface （system call） ・sockfs、struct file、struct dentry ・struct socket、struct proto_ops ソケットインターフェースの実装 プロトコルにあまり依存しない処理を行う。 struct socket、ソケットの実態 struct socketを小さく保つため、struct sock（sock 構造体は大きい）と分離 struct proto_ops、メソッド・struct sock、struct proto （TCP/IPネットワークプロトコル） よりプロトコルに依存した処理を行う。 TCPは、socket構造体とsock構造体を切り離して管理する。 struct sock、ソケットの実態 struct proto、メソッド・・・・ ・struct packet_type （TCP/IPネットワークプロトコル） ・（パケットスケジューラ） ・ネットワークデバイス ・イーサネット ソケット専用システムコール ・ソケット作成（socket システムコール）、ファイルデスクリプタを得る。 ・通信先へ接続（connnect/bind/listen/accept システムコール） ・データ授受（send/recv システムコール） ・接続終了（shutdown システムコール） ・ファイルデスクリプタを得る（close） ソケットAPIを、glibc によるラッパーとして実装 ・ソケット関連のシステムコールへ1つのシステムコール番号だけ割当て（CPUによる） システムコールの実態は、socketcall・socket API→glibc→socketcall→system call発行→sys_socketcall→switch分岐→sys_XXX int socketcall （ソケットAPI, 引数）・ソケット作成（sys_socket システムコール）、ファイルデスクリプタを得る。 ・通信先へ接続（sys_connnect/sys_bind/sys_listen/sys_accept システムコール） ・データ授受（sys_send/sys_recv システムコール） ・接続終了（sys_shutdown システムコール） ・ファイルデスクリプタを得る（close） ソケットが管理する送受信データ ・ソケットは疑似ファイルシステム（sockfs）として実装 ・ソケットバッファ（struct sk_buff）が管理 プロトコル処理でデータのコピーを発生させない作り ソケットバッファのデータ部を共有する。 メモリ上の任意のページをソケットバッファのデータとしても登録できる。sockfs（疑似ファイルシステム） ・マウントできない（MS_NOUSERフラグチェックで、EINVALエラー終了） openシステムコールで、ファイルデスクリプタを取得できない。 対応するカーネル内の構造体も生成できない。・socket/socket_pair/accept システムコールで構造体確保、ファイルデスクリプタと関連付け プロトコル処理でデータのコピーを発生させない作りstruct sk_buff ・プロトコル層の移動 各層のヘッダへのポインタを持つ（すばやくアクセス） クローン sk_buff 構造体のみコピーし、それが指しているデータはコピーしない。 コピー sk_buff 構造体が指しているデータまでコピー 全て（skb_copy） ヘッダだけ（pskb_copy）・パケット処理機能 NICとカーネルのインターフェース ・割り込みを契機としたコンテキストで処理するAPI ・NWからくるデータのパケットタイプと処理する関数を struct packet_type へ登録 該当パケット受信時にSW割込み発生、パケットタイプに応じた関数を呼び出す。・NWから受け取ったデータをIP層へ渡す。 NICはパケットを受け取ると割込みを上げる。 対応する割込みパンドラが受信処理を行い、 プロトコル層へパケットを引き渡すため、netif_rx() を呼び出す。 netif_rx() 処理後、後の処理は、SW割込みで行う。IPv4通信 IPv4ソケット作成 ・作成関数の登録 「struct net_prot_family inet_family_ops」のcreateメンバーへ、 「inet_create」関数を指定static struct net_prot_family inet_family_ops = { .family = PF_NET, .create = inet_create, .owner = THIS_MODULL,}; ・「sock_register」関数を実行 ・IPv4ソケットタイプ（TCP、UDP、RAW）の登録、削除 inet_protosw構造体（struct inet_protosw）を用いる。 配列inetsw_array inet_register_protosw 登録 inet_unregister_protosw 削除・sock構造体（struct sock） ソケット固有の情報を保持・inet_sock構造体（struct inet_sock） IP固有の情報を保持・tcp_sock/udp_sock構造体（struct tcp_sock、struct udp_sock） TCP/UDP固有の情報を保持・sock構造体から各構造体への変換関数 inet_sk、tcp_sk、udp_sk・パケット受信パンドラ（処理ルーチン）の登録 dev_add_packで登録 受信したいパケットタイプとしてip_packet_typeを指定 「struct packet_type ip_packet_type」の.funcメンバーへ、 「ip_rcv」関数（パケット受信関数）を指定static struct packet_type ip_packet_type = { .type = __constant_htons(ETH_P_IP), .func = ip_rcv,}; IPヘッダのプロトコルによって処理関数が異なる。 net_proprotcol構造体（struct net_proprotcol）とプロトコル値を指定 inet_add_protocol 登録 inet_del_protocol 削除 上位のプロトコルの受信関数（ip_rcvと互いにリンク） tcp_v4_rcv() icmp_rcv() udp_rcv()・各NWデバイスのHWアドレス、ネットマスク、MTU情報の保持 in_device構造体ルーティング仕組み ・flowi構造体 （ルーティング処理に必要な情報を格納） ・fib （forwarding information base）「静的ルーティングテーブル」 ネットマスク毎に管理 ip_fib_main_table （ユニキャスト、ルータへの送信経路情報） fib_local_table （ローカルホスト上の転送経路、マルチキャスト、ブロードキャスト）・カーネルのコンフィグレーション設定で複数のテーブルを追加使用 ・inet_peer構造体 （宛先IPアドレス毎に管理する情報） IPパケットのid、TCPで使用するタイムスタンプ AVLツリーで管理・hh_cache構造体 データリンク層で使用するアドレスのキャッシュ、パケット送信情報・近隣キャッシュ（neighbour） ・dst_entry構造体、rtable構造体 ルーティング処理 ・TCP/IPでパケットを送るときに参照 比較基準は、longest match 全ての通信の宛先IPアドレスは、テーブル内の行のいずれかに必ず合致・ルーティングテーブルキャッシュを検索 ・見つからなかったら、ルーティングテーブルを検索 ・検索結果の各種チェック ・正当なものならば、rtable構造体を確保してメンバーを初期化 ・rt_intern_hash（）でルーティングテーブルキャッシュへ追加 ・ルーティングテーブルとの比較 Destination Addressとネットマスクからネットワークを算出 ネットワークとテーブルの受信先サイトが一致していれば、その行は合致する候補 複数の行が合致候補になった場合、ネットマスクが一番大きい行が最終的な合致結果 ネットマスクも同じ大きさの場合は、Metricが小さいほうが最終的な合致結果受信処理（関数の流れ） ・ネットワークデバイス ・netif_receive_skb() ・deliver_skb() ・ip_rcv() IPパケット・Mのソフトウェア割り込み（コンテキスト）で、ip_rcvへソケットバッファが来る。 ip_rcv関数でipヘッダのチェックサム計算、OKならip_rcv_finishへ処理を渡す。・ip_rcv_finish関数 必要があればルーティング処理（ip_route_input()）を行う。 必要があればipヘッダのオプション解析（ip_options_compile()）を行う。 dst_input関数を呼び出す。・dst_input() ・自ホストで受信の場合、ip_local_deliver() 必要ならリアッセンブル、ip_defrag() すべてのフラグメントがそろうと受信処理を呼ぶ、ip_local_deliver_finish()・転送処理の場合、ip_forward()、dst_output() ・上位レイヤーへ tcp_v4_rcv() icmp_rcv() udp_rcv()送信処理（関数の流れ） ・ip_queue_xmit() ・ソケットの宛先のキャッシュの確認 （__sk_dst_check()） ・キャッシュされてない場合ルーティング処理（ip_route_output_flow()）を行う。 ルーティングテーブルキャッシュ、ルーティングテーブルの順に調べる（fib_lookup()）・IPのidの割り当て （ip_select_ident_more()） ・dst_output()からip_output()を呼ぶ。 ・パケットが大きい場合、フラグメント処理 （ip_fragment()） ・ARPが解決されていれば、dev_queue_xmit()を呼びパケットを送信 ARPが解決されていなければ、neigh_resolve_output()・ARP解決を処理するタイマーを開始 ・ARPが解決された再び、neigh_resolve_output() 送信 ・送信に使われるメディアに合わせてアドレス解決等の処理を行い、 ・実際の送信は、直接相閧ﾉ送るか、Gatewayに転送するのどちらかをとる ・メディアがイーサネットの場合 Interfaceのところで示されているNICを使って送信 必要なMACアドレスをARPを使い取得後、NICからイーサネットに送り出す （MACアドレスは一定時間記憶され、再利用）IPヘッダチェックサム ・IPパケットにある、データの通信経路上での破損を確認できるデータ ・IPヘッダ部分のみ対象 ・計算 チェックサムフィールドを0にする。 ヘッダーに対して16ビットの1の補数合計を計算 その結果に対して1の補数を計算し、それをチェックサムとする。・受信側は、ヘッダーを合計してすべてのビットが0を確認する。 ・転送する場合は、TTLを1減じて、チェックサムに1を足す。 リアセンブル処理 ・フラグメント化された複数のIPパケットを元のIPパケットに組み立てる。 ・IPパケットの組み立てAPI ip_append_data ip_append_page ip_push_pending_framesARP解決 ・タイマーがneigh_timer_handler関数呼び出し ・arp_solicit関数からARP要求パケットを作成し送信 ・ARP応答パケット受信（arp_rcv()） パケットを解析（arp_process()）し、neighbour構造体を更新（neigh_update()）・ARPが解決された場合、ハードウェアヘッダーキャッシュを更新（neigh_update_hhs()） ・送信処理の関数ポインタの書き換え（neigh_connect()） ・ARP待ちになっていたパケットを送信 ICMP ・ICMPパケット受信処理（icmp_rcv()） それぞれタイプに応じた処理を行う。 ICMPメッセージタイプをインデックスとした配列（icmp_pointers）で処理を分岐・ICMPパケット送信処理（icmp_reply() or icmp_send()） 短時間に多量に送信しない。UDP ・UDP受信処理 （関数の流れ） チェックサム計算の初期化処理（udp_checksum_init()） 受信したパケットに対応するソケットを検索（udp_v4_lookup()） 見つかれば受信キューにつなぐ（udp_queue_rcv_skb()、sock_queue_rcv_skb()） 見つからなければ、チェックサム計算を完了し、パケットを破棄 チェックサムが正しければ、ICMPエラーを返す データ到着をソケットに通知 プロセス受信処理（udp_recvmsg()） 受信待ちキューからソケットバッファを取り出し、ユーザー空間にデータコピー・UDP送信処理 （関数の流れ） プロセスから（udp_sendmsg() or udp_sendpage()）が呼ばれる。 データ作成（ip_append_data()、ip_append_page()） UDPヘッダ完成（udp_push_pending_frames()）させ、送信（ip_push_pending_frames()） |
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