Linux sk_buff四大指针与相关操作

在以上文章中，没有分析过Linux内核网络关键的数据结构-套接字数据缓存struct sk_buff,本文将第一次分享到sk_buff，但鉴于其在内核网络中一些复杂情况，本次只简单介绍sk_buff内存空间布局情况与相关操作。

套接字数据缓存(socket buffer)在Linux内核中表示为：struct sk_buff，是Linux内核中数据包管理的基本单元，主要包含两个部分，其一：管理数据，即数据包的管理信息;其二：报文数据，保存了实际网络中传输的数据，在内核协议栈起承上启下的作用，也有很多值得关注的sk_buff操作。

1、sk_buff四大指针与相关操作

分配初始化：

struct sk_buff中四个指针都指向数据区，分别是head、data、tail、end,刚刚分配出来的sk_buff会立马进行四大指针的初始操作。分配sk_buff如下所示:

sk_stream_alloc_skb最终调用__alloc_skb函数进行内存分配，分配skb后，进行四大指针的初始化操作：

其中skb_reset_tail_pointer(skb)：

最终四大指针初始化为以下图所示：

此时head、data、tail三个指针指向一起，end指向数据缓冲区的尾部。预留协议头空间：在sk_stream_alloc_skb调用__alloc_skb函数进行内存分配后，下一步就会预留协议头空间，使得head、tail、data指针分离：

skb_reserve如下，

操作后skb_buff的指针如下所示：

skb_reserve作用就是预留空间，而且是尽最大的空间预留，但它并没有把数据放到该空间，只是简单更新指针，预留空间!

因为很多头都会有可选项，那么不知道头部可选项是多大，所以只能按照最大的分配，同时也要明白一点，预留的空间headroom不一定使用完，可能还有剩余。当我们要增加协议头信息的时候，data指针向上移动，当增加数据的时候tail指针向下移动，完成数据包的封装。此时还没有数据，data和tail指向相同。

操作tailroom中用户数据块区域：skb_put用于修改指向数据区末尾的指针tail：

可以看到tail指针的移动是扩大数据区域，即数据区向下扩大len字节，并更新数据区长度len。

增加headroom区域的协议头：skb_push函数用于移动data指针，增加头部协议，与skb_reserve()类似，也并没有真正向数据缓存区中添加数据，而只是移动数据缓存区的头指针data。数据由其他函数复制到数据缓存区中。函数如下：

如下两张图分别是由传输层、网络层，数据包向下传递时data指针移动，进行头部协议的封装。

TCP层添加TCP首部。

SKB传递到IP层，IP层为数据包添加IP首部。

SKB传递到链路层，链路层为数据包添加链路层首部。

可以看到在数据包封装的过程中，每一层移动data指针进行数据报头的封装。

数据报文解封装，解除协议头：skb_pull通过将data指针向下移动，进行数据报文的解封装，函数如下所示：

如下图所示，在收包流程上，向上层协议，如下网络层向传输层传送的时候，调用skb_pull进行数据包的解封装。

以上就是struct sk_buff的四大指针的相关操作,通过分析可得：

head指向缓冲区的首地址，作为上边界

end指向缓冲区的尾地址，作为下边界

data指针在数据包头部封装和解封装的过程中移动，指向各层的协议头，skb_push函数将data的指向，向低地址移动(向上)，完成协议头空间的占据，skb_pull函数将data的指向，向高地址移动(向下)，完成协议头的解封装。

tail指针在增加应用层用户缓冲数据时移动，skb_put函数将该指针向高地址移动(向上)，完成用户数据空间的占据。

2、非线性区域

在1、中，可以看到每张sk_buff的图：在end指针紧挨着一个非线性区域;

在struct sk_buff中没有指向skb_shared_info结构的指针，利用end指针，可以用skb_shinfo宏来访问：

其中skb_end_pointer函数如下，返回end指针

其中skb_frag_t如下：

nr_frags，frags，frag_list与IP分片存储有关。

frag_list的用法：

用于在接收分组后链接多个分片，组成一个完整的IP数据报

在UDP数据报输出中，将待分片的SKB链接到第一个SKB中，然后在输出过程中能够快速的分片

用于存放FRAGLIST类型的聚合分散I/O数据包

判断是否存在非线性缓冲区：

先说明struct sk_buff中关于长度的两个字段

len字段：无分片的报文，数据报文的大小

data_len字段：存在分散报文，data_len表示分片的部分大小

如下所示，没有开启分片的报文len = x,data_len = 0:

如下所示在Linux内核中，使用skb_is_nonlinear函数判断是否存在分片，即通过判断data_len的大小是否为0：

在没有开启分片的报文中，数据包长度在struct sk_buff中为len字段的大小，即data到tail的长度，nf_frags为0，frag_list为NULL。

普通聚合分散I/O的报文：

采用聚合分散I/O的报文，

frag_list为 NULL,nf_frags不等于0，说明这不是一个普通的分片，而是聚合分散I/O的报文。如下所示：nr_frags为2，而frag_list为NULL，说明这不是普通的分片，而是聚合分散I/O分片，数量为2，这两个分片指向同一物理分页，各自在分页中的偏移和长度分别是0/S1和S1/S2。

FRAGLIST类型的分散聚合I/O的报文：

采用FRAGLIST类型的分散聚合I/O报文，frag_list不为NULL,nf_frags等于0,数据长度len为x+S1,data_len为S1。

以上从struct sk_buff的四大指针以及操作、非线性区域对套接字缓存(socket buffer)进行分析，更多sk_buff的分析、实操等将在以后的文章中梳理。