【Linux内核剖析】深入分析inet_init的处理机制

inet_init 是 Linux 内核中用于初始化 TCP/IP 协议栈的函数。它在内核启动时被调用，完成各种协议和数据结构的注册和初始化。
主要功能：

  • 注册 TCP、UDP、ICMP 等协议。
  • 初始化 ARP、IP 和其他网络协议模块。
  • 设置 socket 操作和协议处理。

前后调用关系链：

start_kernel()
    └── rest_init()
        └── kernel_init()
            └── do_basic_setup()
                └── do_initcalls()
                    └── inet_init()
                        ├── proto_register(&tcp_prot, 1)
                        ├── proto_register(&udp_prot, 1)
                        ├── proto_register(&raw_prot, 1)
                        ├── proto_register(&ping_prot, 1)
                        ├── sock_register(&inet_family_ops)
                        ├── inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP)
                        ├── inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP)
                        ├── inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP)
                        ├── arp_init()
                        ├── ip_init()
                        ├── tcp_v4_init()
                        ├── udp_init()
                        ├── ping_init()
                        ├── icmp_init()
                        └── init_ipv4_mibs()

再来看源代码：

static int __init inet_init(void)
{
	struct sk_buff *dummy_skb;
	struct inet_protosw *q;
	struct list_head *r;
	int rc = -EINVAL;

	BUILD_BUG_ON(sizeof(struct inet_skb_parm) > sizeof(dummy_skb->cb));

	sysctl_local_reserved_ports = kzalloc(65536 / 8, GFP_KERNEL);
	if (!sysctl_local_reserved_ports)
		goto out;

	rc = proto_register(&tcp_prot, 1);
	if (rc)
		goto out_free_reserved_ports;

	rc = proto_register(&udp_prot, 1);
	if (rc)
		goto out_unregister_tcp_proto;

	rc = proto_register(&raw_prot, 1);
	if (rc)
		goto out_unregister_udp_proto;

	rc = proto_register(&ping_prot, 1);
	if (rc)
		goto out_unregister_raw_proto;

	/*
	 *	Tell SOCKET that we are alive...
	 */

	(void)sock_register(&inet_family_ops);

#ifdef CONFIG_SYSCTL
	ip_static_sysctl_init();
#endif

	/*
	 *	Add all the base protocols.
	 */

	if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
		printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add ICMP protocol\n");
	if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
		printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add UDP protocol\n");
	if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
		printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add TCP protocol\n");
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
	if (inet_add_protocol(&igmp_protocol, IPPROTO_IGMP) < 0)
		printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add IGMP protocol\n");
#endif

	/* Register the socket-side information for inet_create. */
	for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
		INIT_LIST_HEAD(r);

	for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
		inet_register_protosw(q);

	/*
	 *	Set the ARP module up
	 */

	arp_init();

	/*
	 *	Set the IP module up
	 */

	ip_init();

	tcp_v4_init();

	/* Setup TCP slab cache for open requests. */
	tcp_init();

	/* Setup UDP memory threshold */
	udp_init();

	/* Add UDP-Lite (RFC 3828) */
	udplite4_register();

	ping_init();

	/*
	 *	Set the ICMP layer up
	 */

	if (icmp_init() < 0)
		panic("Failed to create the ICMP control socket.\n");

	/*
	 *	Initialise the multicast router
	 */
#if defined(CONFIG_IP_MROUTE)
	if (ip_mr_init())
		printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot init ipv4 mroute\n");
#endif
	/*
	 *	Initialise per-cpu ipv4 mibs
	 */

	if (init_ipv4_mibs())
		printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot init ipv4 mibs\n");

	ipv4_proc_init();

	ipfrag_init();

	dev_add_pack(&ip_packet_type);

	rc = 0;
out:
	return rc;
out_unregister_raw_proto:
	proto_unregister(&raw_prot);
out_unregister_udp_proto:
	proto_unregister(&udp_prot);
out_unregister_tcp_proto:
	proto_unregister(&tcp_prot);
out_free_reserved_ports:
	kfree(sysctl_local_reserved_ports);
	goto out;
}

fs_initcall(inet_init);

调用路径

  • start_kernel()：内核的入口函数，位于 init/main.c 中，完成内核的基本初始化工作。
  • rest_init()：在 start_kernel() 中被调用，创建内核初始化线程 kernel_init。
  • kernel_init()：内核初始化线程的主函数，负责内核的后续初始化工作。
  • do_basic_setup()：在 kernel_init() 中被调用，执行所有的初始化调用（initcall）。
  • do_initcalls()：在 do_basic_setup() 中被调用，遍历所有的 initcall 函数，并依次执行它们。
  • inet_init()：作为一个 __initcall 函数被调用，用于初始化 TCP/IP 协议栈。

proto_register()：用于注册不同的协议（TCP、UDP、RAW、PING），将它们添加到协议列表中，以便后续处理。
sock_register()：注册 socket 操作，包括创建和管理 socket 的方法。
inet_add_protocol()：将各个传输层协议（如 ICMP、UDP、TCP）添加到网络层，以便接收和处理数据包。
模块初始化函数（如 arp_init(), ip_init(), tcp_v4_init(), 等）：这些函数负责初始化各个网络模块，为后续的数据传输做好准备。



在看最后一行的处理函数

/**
 *	dev_add_pack - add packet handler
 *	@pt: packet type declaration
 *
 *	Add a protocol handler to the networking stack. The passed &packet_type
 *	is linked into kernel lists and may not be freed until it has been
 *	removed from the kernel lists.
 *
 *	This call does not sleep therefore it can not
 *	guarantee all CPU's that are in middle of receiving packets
 *	will see the new packet type (until the next received packet).
 */

void dev_add_pack(struct packet_type *pt)
{
	struct list_head *head = ptype_head(pt);

	spin_lock(&ptype_lock);
	list_add_rcu(&pt->list, head);
	spin_unlock(&ptype_lock);
}
EXPORT_SYMBOL(dev_add_pack);

dev_add_pack 是 Linux 内核中用于添加数据包处理程序的函数。它将一个协议处理程序（packet handler）注册到网络栈中，以便在接收到特定类型的数据包时能够正确处理这些数据包。

具体来说：

  • 添加协议处理程序：将传入的 packet_type 结构体链接到内核的链表中，允许内核在接收到相应类型的数据包时调用相应的处理程序。
    struct packet_type {
   __be16			type;	/* This is really htons(ether_type). */
   struct net_device	*dev;	/* NULL is wildcarded here	     */
   int			(*func) (struct sk_buff *,
   				 struct net_device *,
   				 struct packet_type *,
   				 struct net_device *);
   struct sk_buff		*(*gso_segment)(struct sk_buff *skb,
   					u32 features);
   int			(*gso_send_check)(struct sk_buff *skb);
   struct sk_buff		**(*gro_receive)(struct sk_buff **head,
   				       struct sk_buff *skb);
   int			(*gro_complete)(struct sk_buff *skb);
   void			*af_packet_priv;
   struct list_head	list;
};
  • 非阻塞操作：该函数在执行过程中不会导致线程睡眠，这意味着它可以在任何上下文中被调用，包括中断上下文。

这么做有什么好处呢？

  • 网络协议处理：当网络设备接收到数据包时，内核会检查数据包类型，并调用相应的处理程序。通过 dev_add_pack() 注册的数据包处理程序会在接收到匹配的数据包时被触发。
  • 动态协议支持：可以在运行时动态地添加新的协议处理程序，而不需要重启内核或修改内核代码。这使得内核能够灵活地支持多种网络协议和功能。

那么，它如何如何根据数据包的类型来找到对应的链表头呢？

/*******************************************************************************

		Protocol management and registration routines

*******************************************************************************/

/*
 *	Add a protocol ID to the list. Now that the input handler is
 *	smarter we can dispense with all the messy stuff that used to be
 *	here.
 *
 *	BEWARE!!! Protocol handlers, mangling input packets,
 *	MUST BE last in hash buckets and checking protocol handlers
 *	MUST start from promiscuous ptype_all chain in net_bh.
 *	It is true now, do not change it.
 *	Explanation follows: if protocol handler, mangling packet, will
 *	be the first on list, it is not able to sense, that packet
 *	is cloned and should be copied-on-write, so that it will
 *	change it and subsequent readers will get broken packet.
 *							--ANK (980803)
 */

static inline struct list_head *ptype_head(const struct packet_type *pt)
{
	if (pt->type == htons(ETH_P_ALL))
		return &ptype_all;
	else
		return &ptype_base[ntohs(pt->type) & PTYPE_HASH_MASK];
}

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