1 分片位置

分段是网络层的一个重要任务，网络层需要对两方面的IP数据包进行分段：

本地产生的数据包；
转发的数据包；

这两种数据包的长度如果超过了出口设备的MTU（或者PMTU），则网络层必须先对数据包进行分段，使其适配出口设备的MTU。

IPv4使用 ip_fragment() 处理分段，在设计时，要求该函数能够处理所有的情况，但是在实现过程中，充分考虑了实际可能的情况，对某些场景的处理进行了优化，下面分情况介绍。

对于本机发送的数据包，TCP在组织skb数据时，本身就会考虑MTU的限制，它会尽可能的保证每个skb携带的数据不会超过MTU，就是为了避免网络层再进行分段，因为分段对TCP性能的影响较大。因为TCP就帮忙做了很多事情，所以对于TCP发送场景，应该是很少有机会执行分片的。考虑UDP，它并不会向TCP一样保证skb长度，但是由于UDP往往是调用ip_append_data()组织skb数据的，该函数在组织skb过程中，会将属于同一个IP报文的所有分片都组织成skb列表（非第一个分片都放在第一个分片skb的frag_list中），这样网络层在执行分片时将会节省很多工作量。

对于转发的数据包，则无法向本地发送一样，提前做很多的工作，网络层必须依靠自己来兼容所有可能的情况。同样的，天有不测风云，对于一些特殊的异常场景，本机发送的数据包也有可能并没有按照预期情况组织，这时网络层也要能够兼容处理。

综上，网络层在实现分段时，设计了快速路径和慢速路径两个流程来分别对应上面的两种情况。通常本地产生的UDP大包都会调用 ip_push_pending_frames 将发包队列的skb整合到 frag_list 上，走快速路径分发出去。

2 ip_fragment()代码分析

/**  This IP datagram is too large to be sent in one piece.  Break it up into*   smaller pieces (each of size equal to IP header plus*   a block of the data of the original IP data part) that will yet fit in a*   single device frame, and queue such a frame for sending.*/
int ip_fragment(struct sk_buff *skb, int (*output)(struct sk_buff*))
{struct iphdr *iph;int raw = 0;int ptr;struct net_device *dev;struct sk_buff *skb2;unsigned int mtu, hlen, left, len, ll_rs, pad;int offset;__be16 not_last_frag;struct rtable *rt = (struct rtable*)skb->dst;int err = 0;dev = rt->u.dst.dev;/** Point into the IP datagram header.*/iph = ip_hdr(skb);// 一旦进入该函数，说明skb过大，需要进行IP分片，但是又设置了DF标记或者本身是抑制分片的，// 那么发送失败，向源端发送ICMP报文，这里主要是为forward数据所判断。if (unlikely((iph->frag_off & htons(IP_DF)) && !skb->local_df)) {IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGFAILS);icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_FRAG_NEEDED, htonl(ip_skb_dst_mtu(skb)));kfree_skb(skb);return -EMSGSIZE;}// hlen保存IP首部长度hlen = iph->ihl * 4;// mtu代表每个IP片段能够容纳的L4载荷，所以需要在MTU基础上去掉IP首部的开销mtu = dst_mtu(&rt->u.dst) - hlen;// 设置IPCB(skb)->flags |= IPSKB_FRAG_COMPLETE;/* When frag_list is given, use it. First, check its validity:* some transformers could create wrong frag_list or break existing* one, it is not prohibited. In this case fall back to copying.** LATER: this step can be merged to real generation of fragments,* we can switch to copy when see the first bad fragment.*//** 如果4层将数据包分片了，那么就会把这些数据包放到skb的frag_list链表中，* 因此这里首先先判断frag_list链表是否为空，为空的话将会进行slow 分片*/if (skb_shinfo(skb)->frag_list) {struct sk_buff *frag;/** 取得第一个数据报的len.当sk_write_queue队列被flush后，* 除了第一个切好包的另外的包都会加入到frag_list中(接口ip_push_pending_frames)，* 而这里需要得到的第一个包(也就是本身这个sk_buff）的长度。* first_len是第一个skb中所有数据的总长度，包括线性缓冲区和frags[]数组*/int first_len = skb_pagelen(skb);int truesizes = 0;/** 接下来的判断都是为了确定能进行fast分片。分片不能被共享，* 这是因为在fast path 中，需要加给每个分片不同的ip头(而并* 不会复制每个分片)。因此在fast path中是不可接受的。而在* slow path中，就算有共享也无所谓，因为他会复制每一个分片，* 使用一个新的buff。   *//** 判断第一个包长度是否符合一些限制(包括mtu，mf位等一些限制).* 如果第一个数据报的len没有包含mtu的大小这里之所以要把第一个* 切好片的数据包单独拿出来检测，是因为一些域是第一个包所独有* 的(比如IP_MF要为1）。这里由于这个mtu是不包括hlen的mtu，因此* 需要减去一个hlen。  */// 1. 条件1说明高层协议切割的skb的长度还是太长了；// 2. 第一个片段长度必须是8字节对齐的（IP片段偏移量是8字节对齐决定的）；// 3. 偏移量在下面的分段过程中才会进行设置，这里不应该有值；// 4. skb不能是被共享的，因为快速路径上不会进行skb拷贝，而是直接修改skb；// 上述4个条件有任何一个不满足，那么就用慢速路径完成分片if (first_len - hlen > mtu || ((first_len - hlen) & 7) ||(iph->frag_off & htons(IP_MF|IP_OFFSET)) || skb_cloned(skb)){goto slow_path;}// 遍历frag_list列表，检查是否所有的分片是否符合快速分片处理for (frag = skb_shinfo(skb)->frag_list; frag; frag = frag->next) {// 这4个条件和前面对第一个片段的检查类似if (frag->len > mtu || ((frag->len & 7) && frag->next) || skb_headroom(frag) < hlen)goto slow_path;if (skb_shared(frag))goto slow_path;BUG_ON(frag->sk);// 设置skb的属主if (skb->sk) {sock_hold(skb->sk);frag->sk = skb->sk;frag->destructor = sock_wfree;truesizes += frag->truesize;}}// 对第一个分片的特殊处理err = 0;offset = 0;frag = skb_shinfo(skb)->frag_list;skb_shinfo(skb)->frag_list = NULL;skb->data_len = first_len - skb_headlen(skb);skb->truesize -= truesizes;skb->len = first_len;iph->tot_len = htons(first_len);iph->frag_off = htons(IP_MF);ip_send_check(iph);// 循环处理后面所有的分片for (;;) {if (frag) {frag->ip_summed = CHECKSUM_NONE;skb_reset_transport_header(frag);__skb_push(frag, hlen);skb_reset_network_header(frag);// 拷贝IP首部memcpy(skb_network_header(frag), iph, hlen);iph = ip_hdr(frag);iph->tot_len = htons(frag->len);ip_copy_metadata(frag, skb);if (offset == 0)ip_options_fragment(frag);offset += skb->len - hlen;iph->frag_off = htons(offset>>3);if (frag->next != NULL)iph->frag_off |= htons(IP_MF);/* Ready, complete checksum */ip_send_check(iph);}// 继续发送过程,先发送首片ip的skb自己，后面继续发送frag。err = output(skb);if (!err)IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGCREATES);if (err || !frag)break;// 继续处理下一个分片skb = frag;frag = skb->next;skb->next = NULL;}// 一切正常，分片过程从这里返回if (err == 0) {IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGOKS);return 0;}// 分片或者发送过程失败了，释放所有的skb分片while (frag) {skb = frag->next;kfree_skb(frag);frag = skb;}// 快速路径结束IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGFAILS);return err;}//end of (skb_shinfo(skb)->frag_list)slow_path:// left保存整个IP报文中剩余需要分段的报文长度，在下面分段过程中会逐渐减小，// 直到为0说明分段过程结束left = skb->len - hlen;      /* Space per frame */// ptr指向L4载荷的偏移，初始值指向L4报文的开头ptr = raw + hlen;     /* Where to start from *//* for bridged IP traffic encapsulated inside f.e. a vlan header,* we need to make room for the encapsulating header*/// L2的特殊使用，处理桥接、VLAN、PPPOE相关MTU，这里认为pad=0即可pad = nf_bridge_pad(skb);// link layer reserved space，即链路层保留长度，是指应该在skb线性缓冲区的首部// 应该为L2保留的长度，主要包括mac层首部ll_rs = LL_RESERVED_SPACE_EXTRA(rt->u.dst.dev, pad);mtu -= pad;// offset为偏移量，不包括DF、MF标记offset = (ntohs(iph->frag_off) & IP_OFFSET) << 3;// 顾名思义，标识是否是IP报文的最后一个片段，因为最后一个片段的MF标记是0not_last_frag = iph->frag_off & htons(IP_MF);// 循环创建新的skb2，然后拷贝数据，完成分段（left==0）while (left > 0) {// 调整len为本轮循环分片中能够容纳的L4报文载荷长度len = left;/* IF: it doesn't fit, use 'mtu' - the data space left */if (len > mtu)len = mtu;// IP报文首部的片偏移字段格式决定了非最后一个IP片段的偏移量必须是8字节对齐的if (len < left)   {len &= ~7;}// 分配skb2，长度包括三部分:len代表的L4报文部分；hlen代表的IP报文首部；ll_rs代表的L2报文首部if ((skb2 = alloc_skb(len+hlen+ll_rs, GFP_ATOMIC)) == NULL) {NETDEBUG(KERN_INFO "IP: frag: no memory for new fragment!\n");err = -ENOMEM;goto fail;}// 首先设置skb2中的各个字段ip_copy_metadata(skb2, skb);skb_reserve(skb2, ll_rs);skb_put(skb2, len + hlen);skb_reset_network_header(skb2);skb2->transport_header = skb2->network_header + hlen;// 设置owner，内存的消耗将会记录到owner的账上if (skb->sk)skb_set_owner_w(skb2, skb->sk);// 先从源skb的线性缓冲区将IP报文首部拷贝到skb2的线性缓冲区，因为内存上是连续的，// 所以直接使用memcpy拷贝即可skb_copy_from_linear_data(skb, skb_network_header(skb2), hlen);// 下面的数据拷贝就复杂了一些，因为慢速路径要能够处理任何可能的skb的数据组织方式。// skb_copy_bits()将从skb->data开始偏移的ptr位置开始拷贝数据，共拷贝len字节到// skb2传输层开始的位置，注意这里在处理ptr偏移会考虑页缓冲区和frag_list两种情况if (skb_copy_bits(skb, ptr, skb_transport_header(skb2), len))BUG();// 分段完成，left减去1个片段的长度left -= len;// 填充IP首部，主要是选项和偏移字段iph = ip_hdr(skb2);iph->frag_off = htons((offset >> 3));// ip_options_fragment()会在第一个IP片段的基础上将后面片段不需要的IP选项删除，// 这样后面的IP片段直接继承即可（前面已经拷贝），无需重新设定选项，所以这里只// 在第一个片段分片过程中调用ip_options_fragment()if (offset == 0)ip_options_fragment(skb);//不是最后一个包，因此设置mf位 if (left > 0 || not_last_frag)iph->frag_off |= htons(IP_MF);// 更新ptr和offset，为下一个分片做好准备ptr += len;offset += len;// IP首部的total字段表示的是IP片段的长度iph->tot_len = htons(len + hlen);// 计算IP首部校验和ip_send_check(iph);// 调用发送接口继续发送过程err = output(skb2);if (err)goto fail;IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGCREATES);}// 原有的IP报文都已经被分割成一个个新的skb，所以处理结束后，原来的skb需要释放kfree_skb(skb);IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGOKS);return err;
fail:kfree_skb(skb);IP_INC_STATS(IPSTATS_MIB_FRAGFAILS);return err;
}

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