Linux 内核协议栈源码分析(二)

本节核心内容：
1. IP 头部结构与字段解析
2. ip_rcv() 函数完整源码分析
3. IP 层校验与分片处理机制
4. 路由查找与决策流程（FIB 表、LC-trie 算法）
5. 本地交付 vs 转发
6. IP 分片重组状态机
7. 实战：排查 IP 层丢包

💡 阅读建议：本节内容较深，建议结合内核源码（推荐 5.x/6.x 版本）一起阅读，效果更佳。文章中的代码路径基于 net/ipv4/ 目录。

📦 网卡接收数据包（DMA → Ring Buffer）

    ↓

⚡ NAPI 轮询（igb_poll → igb_clean_rx_irq）

    ↓

🚪 netif_receive_skb() ← 上节终点

    ↓

🌐 ip_rcv() ← 本节起点

    ↓

🔍 IP 头部校验与预处理

    ↓

🗺️ 路由决策（ip_route_input）

    ↓

├─→ 📥 ip_local_deliver()（本地交付）→ 传输层

└─→ 📤 ip_forward()（转发）→ dev_queue_xmit()

📋 IPv4 头部格式（共 20 字节，不含选项）

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|Version|  IHL  |Type of Service|        Total Length        |

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|      Identification      |Flags|    Fragment Offset    |

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| Time to Live |  Protocol  |      Header Checksum      |

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|                Source Address                |

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|          Destination Address            |

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关键字段：
• Version: IP 版本，IPv4 = 4
• IHL: 头部长度，单位 4 字节，默认 5 (20字节)
• Total Length: 总长度（头部 + 数据），最大 65535
• Identification: 分片标识，同一数据报分片相同
• Flags: DF=禁止分片, MF=还有后续分片
• Fragment Offset: 分片偏移，单位 8 字节
• TTL: 经过一跳减 1，为 0 时丢弃
• Protocol: 1=ICMP, 6=TCP, 17=UDP
• Checksum: 仅覆盖头部的校验和

// include/uapi/linux/ip.h
structiphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
    __u8 ihl:4,   /* 头部长度 */
        version:4;  /* 版本号 */
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
    __u8 version:4, ihl:4;
#endif
    __u8   tos;         /* 服务类型 */
    __be16 tot_len;       /* 总长度 */
    __be16 id;           /* 标识 */
    __be16 frag_off;       /* 分片偏移+Flags */
    __u8   ttl;           /* 生存时间 */
    __u8   protocol;       /* 协议号 */
    __sum16 check;         /* 校验和 */
    __be32 saddr;          /* 源地址 */
    __be32 daddr;          /* 目的地址 */
};

⚠️ 字节序注意：内核使用 __be16、__be32 表示大端序。x86 是小端序，需要 ntohs()、ntohl() 转换。

// net/ipv4/ip_input.c
intip_rcv(structsk_buff *skb,
structnet_device *dev,
structpacket_type *pt,
structnet_device *orig_dev)
{
structiphdr *iph;
    u32 len;

/* ========== 第一步：基础校验 ========== */

/* 1. 确保 skb 可线性访问 */
if(!pskb_may_pull(skb,sizeof(structiphdr)))
gotodrop;

    iph = ip_hdr(skb);

/* 2. 校验 IP 版本号（必须为 4） */
if(iph->version !=4)
gotodrop;

/* 3. 校验头部长度（IHL 最小 5） */
if(iph->ihl <5|| iph->ihl >15)
gotodrop;

/* 4. 确保整个 IP 头部在线性区 */
if(!pskb_may_pull(skb, iph->ihl *4))
gotodrop;
    iph = ip_hdr(skb);

/* 5. 校验总长度 */
    len = ntohs(iph->tot_len);
if(len < iph->ihl*4|| len > skb->len)
gotodrop;

/* 6. 校验 IP 头部校验和 */
if(ip_fast_csum((u8*)iph, iph->ihl) !=0)
gotodrop;

/* ========== Netfilter PREROUTING ========== */
returnNF_HOOK(NFPROTO_IPV4,
      NF_INET_PRE_ROUTING,
      dev_net(dev), NULL, skb,
      dev, NULL, ip_rcv_finish);

drop:
    kfree_skb(skb);
returnNET_RX_DROP;
}

🎯 关键设计：IP 校验和仅覆盖头部，不包含数据部分。路由器只需重新计算 TTL 变化后的校验和，无需处理整个数据包，大幅提升转发效率。

// net/ipv4/ip_input.c
staticintip_rcv_finish(structnet *net,
structsock *sk,
structsk_buff *skb)
{
conststructiphdr *iph = ip_hdr(skb);
structrtable *rt;
interr;

/* 路由查找 */
if(!skb_valid_dst(skb)) {
        err = ip_route_input_noref(skb,
            iph->daddr, iph->saddr,
            iph->tos, skb->dev);
if(unlikely(err))
gotodrop;
    }

    rt = skb_rtable(skb);

/* 决策：本地交付 or 转发 */
returndst_input(skb);

drop:
    kfree_skb(skb);
returnNET_RX_DROP;
}

🔍 查看路由表：ip route show table all 查看所有路由表  |  ip rule list 查看策略路由规则

// net/ipv4/ip_input.c
intip_local_deliver(structsk_buff *skb)
{
/* 处理 IP 分片重组 */
if(ip_is_fragment(ip_hdr(skb))) {
if(ip_defrag(dev_net(skb->dev), skb,
            IP_DEFRAG_LOCAL_DELIVER))
return0;
    }

/* 通过 Netfilter 钩子（INPUT） */
returnNF_HOOK(NFPROTO_IPV4,
      NF_INET_LOCAL_IN,
      dev_net(skb->dev), NULL, skb,
      skb->dev, NULL,
      ip_local_deliver_finish);
}

// net/ipv4/ip_forward.c
intip_forward(structsk_buff *skb)
{
structiphdr *iph = ip_hdr(skb);
structrtable *rt = skb_rtable(skb);
    unsignedintmtu;

/* 1. 检查 TTL（防止无限循环） */
if(iph->ttl <=1) {
        icmp_send(skb, ICMP_TIME_EXCEEDED,
              ICMP_EXC_TTL,0);
gotodrop;
    }

/* 2. 检查 MTU 与分片标志 */
    mtu = dst_mtu(&rt->dst);
if(skb->len > mtu && !skb_is_gso(skb)) {
if(iph->frag_off & htons(IP_DF)) {
/* DF 标志，不能分片 */
            icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH,
              ICMP_FRAG_NEEDED, htonl(mtu));
gotodrop;
        }
    }

/* 3. TTL 减 1 */
    ip_decrease_ttl(iph);

/* 4. 通过 Netfilter FORWARD 钩子 */
returnNF_HOOK(NFPROTO_IPV4,
      NF_INET_FORWARD,
      dev_net(dev), NULL, skb,
      skb->dev, dev,
      ip_forward_finish);

drop:
    kfree_skb(skb);
returnNET_RX_DROP;
}

⚠️ 重要：转发过程中 TTL 减 1。如果 TTL 降为 0，数据包将被丢弃，并发送 ICMP Time Exceeded。这是防止数据包在网络中无限循环的关键机制。

📤 分片（发送端/路由器）

• 检查 MTU 与数据包大小

• 设置 MF (More Fragments) 标志

• 计算分片偏移（单位 8 字节）

• 复制 IP 头部到每个分片

• 重新计算校验和

📥 重组（接收端）

• 根据 (源IP, 目的IP, ID) 识别同一数据报

• 将分片放入重组队列（ipq 结构）

• 检查是否所有分片都到达

• 按偏移顺序拼接分片

• 超时未重组完成则丢弃

# 查看分片重组参数
$ sysctl net.ipv4.ipfrag_high_thresh
net.ipv4.ipfrag_high_thresh = 4194304# 4MB

$ sysctl net.ipv4.ipfrag_time
net.ipv4.ipfrag_time = 30# 30秒超时

💡 性能调优：高带宽场景下可能需要增大 ipfrag_high_thresh 以避免分片重组失败。但要注意防止分片攻击（Fragments Flood）耗尽内存。

🎯 下期预告：
《Linux 内核协议栈源码分析（三）：传输层处理——TCP 状态机与可靠传输》
我们将深入 tcp_v4_rcv() 函数，分析 TCP 连接建立、状态转换、滑动窗口、拥塞控制等核心机制。

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