linux 4.19 ip重组

IP重组

ip重组这部分 4.19内核与3.10内核有些差别，4.9.134以后内核中不使用低水位和工作队列了，同时使用了rhashtable 替代了 hash bucket的概念，在3.10内核中使用1024个hash bucket, 每个bucket中最多存放128个分片队列，在4.19内核中所有的分片队列都保存在可动态调整的rhashtable 中，同时不再使用低水位和工作队列对ip 分片进行回收

4.19内核中，在内存中会分配一个reassembly buffer用于IP分片的重组。同时，也定义了一系列的参数用于控制IP分片处理过程：
net.ipv4.ipfrag_high_thresh: 用于IP分片重组的最大内存用量（默认为4194304 ，即4Mb）。
net.ipv4.ipfrag_time: IP分片在内存中的保留时间(默认30，单位：秒)。
对应上述网络协议栈的内核参数，内核层定义了结构体netns_frags，包含分片重组功能需要的全局控制信息，其定义如下：

struct netns_frags {
struct percpu_counter   mem ____cacheline_aligned_in_smp;
        /* sysctls */
        int                     timeout;
        int                     high_thresh;
        int                     low_thresh;
int			max_dist;
struct inet_frags	*f;
        struct rhashtable       rhashtable ____cacheline_aligned_in_smp;
atomic_long_t		mem ____cacheline_aligned_in_smp;
};

其中rhashtable为分片队列（inet_frag_queue）所在的hash表，IP分片包在内核中根据IP报头的4个字段计算得到一个hash值（key值），每个hash值对应一个分片队列，在实现分片包重组功能时，IP层需要先缓存收到的所有分片包，等待同一个IP报文的所有分片包都到达后，把它们重组成一个大包再提交给L4（TCP/UDP... ...）协议。
当收到新的ip分片包时，将查找是否存在同一数据包的分片队列。首先检查当前内存中所有待重组分片包占用的内存（frag_mem_limit）是否高于高水位（net.ipv4.ipfrag_high_thresh），如果高于则丢弃分片包；否则接着对接收到的分片包与rhashtable表中缓存的分片队列进行匹配（即从rhashtable表查找分片队列）将属于同一数据包的分片包放在同一个分片队列中，如果一个数据包的所有分片包都接收完成，那么将进入数据包的重构流程；如果匹配失败，说明该分片属于一个新的数据包，那么进入分片队列新建流程。分片队列的接收查找函数inet_frag_find定义如下：

struct inet_frag_queue *inet_frag_find(struct netns_frags *nf, void *key)
{
    struct inet_frag_queue *fq = NULL, *prev;

     //①高水位判断
    if (!nf->high_thresh || frag_mem_limit(nf) > nf->high_thresh) 
        return NULL;

    rcu_read_lock();
    prev = rhashtable_lookup(&nf->rhashtable, key, nf->f->rhash_params); //② 查找rhashtable中的分片队列
    if (!prev)
        fq = inet_frag_create(nf, key, &prev); //③ 创建新分片队列

    if (prev && !IS_ERR(prev)) {
        fq = prev;
        if (!refcount_inc_not_zero(&fq->refcnt))
            fq = NULL;
    }   
    rcu_read_unlock();
    return fq; 
}

在分片队列的新建流程中，将从slab中分配一段空间，相应增加分片包占用的内存，同时设置定时器（超时时常为30秒）用来检查重组结果，如果定时器超时未重组成功，该分片包也将丢弃。分片包的新建函数inet_frag_alloc定义如下：

static struct inet_frag_queue *inet_frag_alloc(struct netns_frags *nf,
                                               struct inet_frags *f,
                                               void *arg)
{
        struct inet_frag_queue *q;
       
        q = kmem_cache_zalloc(f->frags_cachep, GFP_ATOMIC);
        if (!q)
                return NULL;
       ... ...
       add_frag_mem_limit(nf, f->qsize);          //①增加分片报文占用内存

       setup_timer(&q->timer,                     //②设置超时定时器
f->frag_expire, (unsigned long)q);        
        ... ...
        return q;
}

int ip_defrag(struct net *net, struct sk_buff *skb, u32 user)
{
	... ...

	qp = ip_find(net, ip_hdr(skb), user, vif); //①查找分片队列
	if (qp) {
... ...
		ret = ip_frag_queue(qp, skb); //②分片队列入队操作
    ... ...
		return ret;
	}

	kfree_skb(skb);
	return -ENOMEM;
}

如果一个数据包的所有分片包都已接收，则需将所有分片包整合获得原始数据包，并将整合后的数据包提交给高层协议。同时，处理与分片包相关的数据结构，譬如更新当前分片包占用的内存（frag_mem_limit），停止与分片包相关的定时器等。数据包的重构函数ip_frag_reasm定义如下：

static int ip_frag_reasm(struct ipq *qp, struct sk_buff *skb,
             struct sk_buff *prev_tail, struct net_device *dev)
{
     ... ...
     ipq_kill(qp);                   //①减少分片包引用计数
     ... ...
     sub_frag_mem_limit(qp->q.net,   //②减少分片包占用内存
head->truesize);
     ... ...
}

所以，一个分片包的接收通常经历了查找分片、缓存、重组、释放等阶段，下图是分片包的接收流程。

图1 4.19分片包接收流程

根据分析，内核中待重组的分片包占用内存量由高水位(net.ipv4.ipfrag_high_thresh)阈值和分片保留时间（net.ipv4.ipfrag_time）来控制，如果待重组分片包内存占用高于高水位（high_thresh），那么新收到的数据包分片将会直接丢弃， 如果分片包超过最大保留时间（ipfrag_time），那么已经收到的数据包也会被丢弃。

附3.10 ip重组

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