Linux IP in IP隧道简述

2020-09-27 0 635 百度已收录

前言:IPIP隧道是一种三层隧道,通过把原来的IP包封装在新的IP包里面,来创建隧道传输。本篇简单分析Linux(2.6.32版本)中的IPIP隧道的实现过程,期望有所借鉴,造出轮子🙂

一. IPIP的初始化

Linux中的IPIP隧道文件主要分布在tunnel4.cipip.c文件中。因为是三层隧道,在IP报文中填充的三层协议自然就不能是常见TCP和UDP,所以,Linux抽象了一个隧道层,位置就相当于传输层,主要的实现就是在tunnel4.c中。来看看他们的初始化:

抽象的隧道层和IPIP模块都是以注册模块的方式进行初始化

module_init(tunnel4_init);    module_init(ipip_init);

首先看隧道层的初始化,主要的工作就是注册隧道协议和对应的处理函数

static int __init tunnel4_init(void)  {      if (inet_add_protocol(&tunnel4_protocol, IPPROTO_IPIP)) {          printk(KERN_ERR "tunnel4 init: can't add protocoln");          return -EAGAIN;      }  #if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)      if (inet_add_protocol(&tunnel64_protocol, IPPROTO_IPV6)) {          printk(KERN_ERR "tunnel64 init: can't add protocoln");          inet_del_protocol(&tunnel4_protocol, IPPROTO_IPIP);          return -EAGAIN;      }  #endif      return 0;  }

inet_add_protocol(&tunnel4_protocol, IPPROTO_IPIP)把IPIP隧道协议注册进inet_protos全局数组中,而inet_protos中的其他协议注册是在inet_init()中:

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

看一下隧道层的处理函数:

static const struct net_protocol tunnel4_protocol = {      .handler    =   tunnel4_rcv,      .err_handler    =   tunnel4_err,      .no_policy  =   1,      .netns_ok   =   1,  };

这样注册完后,当接收到三层类型是IPPROTO_IPIP时,就会调用tunnel4_rcv进行下一步的处理。可以说在隧道层对隧道协议进行的注册,保证能够识别接收到隧道包。而对隧道包的处理则是在IPIP中完成的。

for (handler = tunnel4_handlers; handler; handler = handler->next)          if (!handler->handler(skb))              return 0;    icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_PORT_UNREACH, 0);

在隧道层的处理函数中进一步调用注册的不同隧道协议的处理函数,分别处理。

接下来进一步看IPIP的初始化部分:

static int __init ipip_init(void)  {      int err;        printk(banner);        if (xfrm4_tunnel_register(&ipip_handler, AF_INET)) {          printk(KERN_INFO "ipip init: can't register tunneln");          return -EAGAIN;      }        err = register_pernet_gen_device(&ipip_net_id, &ipip_net_ops);      if (err)          xfrm4_tunnel_deregister(&ipip_handler, AF_INET);        return err;  }

IPIP模块初始化的部分也十分精简,主要就是两部分的工作,一个是注册协议相关的处理函数等;另一个是创建对应的虚拟设备

首先是注册了IPIP对应的处理函数

static struct xfrm_tunnel ipip_handler = {      .handler    =   ipip_rcv,      .err_handler    =   ipip_err,      .priority   =   1,  };

可以看到,从隧道层的处理函数进一步找到IPIP的处理函数后,IPIP报文就会最终进入ipip_rcv()处理,这部分在后面再详细说明。

再来看创建设备部分:

register_pernet_gen_device()->register_pernet_operations(),在其中,最后调用了操作集中的初始化函数

if (ops->init == NULL)          return 0;  return ops->init(&init_net);

对应的操作函数集如下:

static struct pernet_operations ipip_net_ops = {      .init = ipip_init_net,      .exit = ipip_exit_net,  };

这样,就进入到ipip_init_net()中,终于看到创建设备咯

ipn->fb_tunnel_dev = alloc_netdev(sizeof(struct ip_tunnel),                         "tunl0",                         ipip_tunnel_setup);    if (!ipn->fb_tunnel_dev) {    err = -ENOMEM;    goto err_alloc_dev;  }

在创建设备时,对设备还进行了初始化配置ipip_tunnel_setup()

static void ipip_tunnel_setup(struct net_device *dev)  {      dev->netdev_ops     = &ipip_netdev_ops;      dev->destructor     = free_netdev;        dev->type       = ARPHRD_TUNNEL;      dev->hard_header_len    = LL_MAX_HEADER + sizeof(struct iphdr);      dev->mtu        = ETH_DATA_LEN - sizeof(struct iphdr);      dev->flags      = IFF_NOARP;      dev->iflink     = 0;      dev->addr_len       = 4;      dev->features       |= NETIF_F_NETNS_LOCAL;      dev->priv_flags     &= ~IFF_XMIT_DST_RELEASE;  }

这里看到有设备的操作集dev->netdev_ops = &ipip_netdev_ops;,通过这个,我们能知道这个设备都能进行哪些操作:

static const struct net_device_ops ipip_netdev_ops = {      .ndo_uninit = ipip_tunnel_uninit,      .ndo_start_xmit = ipip_tunnel_xmit,      .ndo_do_ioctl   = ipip_tunnel_ioctl,      .ndo_change_mtu = ipip_tunnel_change_mtu,    };

可以看出设备最后的发送函数就是ipip_tunnel_xmit()

之后在ipip_fb_tunnel_init()中对IPIP隧道进行了参数的设置,包括名字,协议号什么的。最后就注册这个新创建的设备吧

if ((err = register_netdev(ipn->fb_tunnel_dev)))          goto err_reg_dev;

这样整个的初始化过程就做完了,下面简单分析一下发送和接收的过程。

二. IPIP的接收

我们之前说到过,对应从网卡收上来的报文,过完链路层后就会到ip_rcv()中,大概是这样的路线:

ip_rcv()->ip_rcv_finish()->ip_local_deliver()->ip_local_deliver_finish(),最终会在其中看到

ret = ipprot->handler(skb);  if (ret < 0) {    protocol = -ret;    goto resubmit;  }

调用注册的协议的处理函数,也就是最终会调到tunnel4_rcv()->ipip_rcv()

if ((tunnel = ipip_tunnel_lookup(dev_net(skb->dev),                      iph->saddr, iph->daddr)) != NULL) { /* 查找对应的tunnel */          if (!xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_IN, skb)) {              read_unlock(&ipip_lock);              kfree_skb(skb);              return 0;          }            secpath_reset(skb);            skb->mac_header = skb->network_header; /* 修改报文的mac头指向网络层开始,为了下面使用netif_rx       能传给上层? */          skb_reset_network_header(skb);          skb->protocol = htons(ETH_P_IP);          skb->pkt_type = PACKET_HOST;  /* 填充报文信息 */            tunnel->dev->stats.rx_packets++;          tunnel->dev->stats.rx_bytes += skb->len;          skb->dev = tunnel->dev;          skb_dst_drop(skb);          nf_reset(skb);          ipip_ecn_decapsulate(iph, skb);          netif_rx(skb);  /* 传递给上层协议栈 */          read_unlock(&ipip_lock);          return 0;      }

三. IPIP的发送

在初始化的时候,我们看到IPIP报文的发送时通过ipip_tunnel_xmit()函数进行的。在发送时,要给原有的IP报文头前添加新的IP头,我们略过这个函数的前面的路由处理的部分,直接看关键的添加报文头的地方

max_headroom = (LL_RESERVED_SPACE(tdev)+sizeof(struct iphdr));        if (skb_headroom(skb) < max_headroom || skb_shared(skb) ||          (skb_cloned(skb) && !skb_clone_writable(skb, 0))) {          struct sk_buff *new_skb = skb_realloc_headroom(skb, max_headroom);/* 为新的报文头分配空间 */          if (!new_skb) {                ip_rt_put(rt);              stats->tx_dropped++;              dev_kfree_skb(skb);              return NETDEV_TX_OK;          }          if (skb->sk)              skb_set_owner_w(new_skb, skb->sk);          dev_kfree_skb(skb);          skb = new_skb;          old_iph = ip_hdr(skb);      }        skb->transport_header = skb->network_header; /* 重新设置传输层的头位置 */      skb_push(skb, sizeof(struct iphdr));      skb_reset_network_header(skb);      memset(&(IPCB(skb)->opt), 0, sizeof(IPCB(skb)->opt));      IPCB(skb)->flags &= ~(IPSKB_XFRM_TUNNEL_SIZE | IPSKB_XFRM_TRANSFORMED |                    IPSKB_REROUTED);      skb_dst_drop(skb);      skb_dst_set(skb, &rt->u.dst);        /*       *  Push down and install the IPIP header.       */        /* 设置新的IP头字段 */      iph             =   ip_hdr(skb);      iph->version        =   4;      iph->ihl        =   sizeof(struct iphdr)>>2;      iph->frag_off       =   df;      iph->protocol       =   IPPROTO_IPIP;      iph->tos        =   INET_ECN_encapsulate(tos, old_iph->tos);      iph->daddr      =   rt->rt_dst;      iph->saddr      =   rt->rt_src;        if ((iph->ttl = tiph->ttl) == 0)          iph->ttl    =   old_iph->ttl;

最后调用IPTUNNEL_XMIT()宏发送出去。

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