Linux網橋工作原理與實現（基於 Linux-2.4.0已更新）

Linux網橋工作原理與實現

Linux 的 網橋 是一種虛擬設備（使用軟件實現），可以將 Linux 內部多個網絡接口連接起來，如下圖所示：

而將網絡接口連接起來的結果就是，一個網絡接口接收到網絡數據包后，會復制到其他網絡接口中，如下圖所示：

如上圖所示，當網絡接口A接收到數據包后，網橋 會將數據包復制並且發送給連接到 網橋 的其他網絡接口（如上圖中的網卡B和網卡C）。

Docker 就是使用 網橋 來進行容器間通訊的，我們來看看 Docker 是怎么利用 網橋 來進行容器間通訊的，原理如下圖：

Docker 在啟動時，會創建一個名為 docker0 的 網橋，並且把其 IP 地址設置為 172.17.0.1/16（私有 IP 地址）。然后使用虛擬設備對 veth-pair 來將容器與 網橋 連接起來，如上圖所示。而對於 172.17.0.0/16 網段的數據包，Docker 會定義一條 iptables NAT 的規則來將這些數據包的 IP 地址轉換成公網 IP 地址，然后通過真實網絡接口（如上圖的 ens160 接口）發送出去。

接下來，我們主要通過代碼來分析 網橋 的實現。

網橋的實現

1. 網橋的創建

我們可以通過下面命令來添加一個名為 br0 的 網橋 設備對象：

[root@vagrant]# brctl addbr br0

然后，我們可以通過命令 brctl show 來查看系統中所有的 網橋 設備列表，如下：

[root@vagrant]# brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
br0             8000.000000000000       no
docker0         8000.000000000000       no

當使用命令創建一個新的 網橋 設備時，會觸發內核調用 br_add_bridge() 函數，其實現如下：

int br_add_bridge(char *name)
{
    struct net_bridge *br;

    if ((br = new_nb(name)) == NULL) // 創建一個網橋設備對象
        return -ENOMEM;

    if (__dev_get_by_name(name) != NULL) { // 設備名是否已經注冊過?
        kfree(br);
        return -EEXIST; // 返回錯誤, 不能重復注冊相同名字的設備
    }

    // 添加到網橋列表中
    br->next = bridge_list;
    bridge_list = br;
    ...
    register_netdev(&br->dev); // 把網橋注冊到網絡設備中

    return 0;
}

br_add_bridge() 函數主要完成以下幾個工作：

• 調用 new_nb() 函數創建一個 網橋 設備對象。
• 調用 __dev_get_by_name() 函數檢查設備名是否已經被注冊過，如果注冊過返回錯誤信息。
• 將 網橋 設備對象添加到 bridge_list 鏈表中，內核使用 bridge_list 鏈表來保存所有 網橋 設備。
• 調用 register_netdev() 將網橋設備注冊到網絡設備中。

從上面的代碼可知，網橋 設備使用了 net_bridge 結構來描述，其定義如下：

struct net_bridge
{
    struct net_bridge           *next;               // 連接內核中所有的網橋對象
    rwlock_t                    lock;                // 鎖
    struct net_bridge_port      *port_list;          // 網橋端口列表
    struct net_device           dev;                 // 網橋設備信息
    struct net_device_stats     statistics;          // 信息統計
    rwlock_t                    hash_lock;           // 用於鎖定CAM表
    struct net_bridge_fdb_entry *hash[BR_HASH_SIZE]; // CAM表
    struct timer_list           tick;

    /* STP */
    ...
};

在 net_bridge 結構中，比較重要的字段為 port_list 和 hash：

• port_list：網橋端口列表，保存着綁定到 網橋 的網絡接口列表。
• hash：保存着以網絡接口 MAC地址 為鍵值，以網橋端口為值的哈希表。

網橋端口 使用結構體 net_bridge_port 來描述，其定義如下：

struct net_bridge_port
{
    struct net_bridge_port  *next;   // 指向下一個端口
    struct net_bridge       *br;     // 所屬網橋設備對象
    struct net_device       *dev;    // 網絡接口設備對象
    int                     port_no; // 端口號

    /* STP */
    ...
};

而 net_bridge_fdb_entry 結構用於描述網絡接口設備 MAC地址 與 網橋端口 的對應關系，其定義如下：

struct net_bridge_fdb_entry
{
    struct net_bridge_fdb_entry *next_hash;
    struct net_bridge_fdb_entry **pprev_hash;
    atomic_t                    use_count;
    mac_addr                    addr;  // 網絡接口設備MAC地址
    struct net_bridge_port      *dst;  // 網橋端口
    ...
};

這三個結構的對應關系如下圖所示：

可見，要將 網絡接口設備 綁定到一個 網橋 上，需要使用 net_bridge_port 結構來關聯的，下面我們來分析怎么將一個 網絡接口設備 綁定到一個 網橋 中。

網橋是工作在 TCP/IP 協議棧的第二層，也就是說，網橋能夠根據目標 MAC 地址對數據包進行廣播或者單播。當目標 MAC 地址能夠從網橋的 hash 表中找到對應的網橋端口，說明此數據包是單播的數據包，否則就是廣播的數據包。

2. 將網絡接口綁定到網橋

要將一個 網絡接口設備 綁定到一個 網橋 上，可以使用以下命令：

[root@vagrant]# brctl addif br0 eth0

上面的命令讓網絡接口 eth0 綁定到網橋 br0 上。

當調用命令將網絡接口設備綁定到網橋上時，內核會觸發調用 br_add_if() 函數來實現，其代碼如下：

int br_add_if(struct net_bridge *br, struct net_device *dev)
{
    struct net_bridge_port *p;
    ...
    write_lock_bh(&br->lock);

    // 創建一個新的網橋端口對象, 並添加到網橋的port_list鏈表中
    if ((p = new_nbp(br, dev)) == NULL) { 
        write_unlock_bh(&br->lock);
        dev_put(dev);
        return -EXFULL;
    }

    // 設置網絡接口設備為混雜模式
    dev_set_promiscuity(dev, 1);
    ...
    // 添加到網絡接口MAC地址與網橋端口對應的哈希表中
    br_fdb_insert(br, p, dev->dev_addr, 1);
    ...
    write_unlock_bh(&br->lock);

    return 0;
}

br_add_if() 函數主要完成以下工作：

• 調用 new_nbp() 函數創建一個新的 網橋端口 並且添加到 網橋 的 port_list 鏈表中。
• 將網絡接口設備設置為 混雜模式。
• 調用 br_fdb_insert() 函數將新建的 網橋端口 插入到網絡接口 MAC地址 對應的哈希表中。

也就是說，br_add_if() 函數主要建立 網絡接口設備 與 網橋 的關系。

3. 網橋中的網絡接口接收數據

當某個 網絡接口 接收到數據包時，會判斷這個 網絡接口 是否綁定到某個 網橋 上，如果綁定了，那么就調用 handle_bridge() 函數處理這個數據包。handle_bridge() 函數實現如下：

static int __inline__
handle_bridge(struct sk_buff *skb, struct packet_type *pt_prev)
{
    int ret = NET_RX_DROP;
    ...
    br_handle_frame_hook(skb);
    return ret;
}

br_handle_frame_hook 是一個函數指針，其指向 br_handle_frame() 函數，我們來分析 br_handle_frame() 函數的實現：

void br_handle_frame(struct sk_buff *skb)
{
    struct net_bridge *br;

    br = skb->dev->br_port->br; // 獲取設備連接的網橋對象

    read_lock(&br->lock);   // 對網橋上鎖
    __br_handle_frame(skb); // 調用__br_handle_frame()函數處理數據包
    read_unlock(&br->lock);
}

br_handle_frame() 函數的實現比較簡單，首先對 網橋 進行上鎖操作，然后調用 __br_handle_frame() 處理數據包，我們來分析 __br_handle_frame() 函數的實現：

static void __br_handle_frame(struct sk_buff *skb)
{
    struct net_bridge *br;
    unsigned char *dest;
    struct net_bridge_fdb_entry *dst;
    struct net_bridge_port *p;
    int passedup;

    dest = skb->mac.ethernet->h_dest; // 目標MAC地址
    p = skb->dev->br_port;            // 網絡接口綁定的端口
    br = p->br;
    passedup = 0;
    ...
    // 將學習到的MAC地址插入到網橋的hash表中
    if (p->state == BR_STATE_LEARNING || p->state == BR_STATE_FORWARDING)
        br_fdb_insert(br, p, skb->mac.ethernet->h_source, 0);
    ...
    if (dest[0] & 1) {        // 如果是一個廣播包
        br_flood(br, skb, 1); // 把數據包發送給連接到網橋上的所有網絡接口
        if (!passedup)
            br_pass_frame_up(br, skb);
        else
            kfree_skb(skb);
        return;
    }

    dst = br_fdb_get(br, dest);    // 獲取目標MAC地址對應的網橋端口
    ...
    if (dst != NULL) {             // 如果目標MAC地址對應的網橋端口存在
        br_forward(dst->dst, skb); // 那么只將數據包轉發給此端口
        br_fdb_put(dst);
        return;
    }

    br_flood(br, skb, 0); // 否則發送給連接到此網橋上的所有網絡接口
    return;
    ...
}

__br_handle_frame() 函數主要完成以下幾個工作：

• 首先將從數據包中學習到的MAC地址插入到網橋的hash表中。
• 如果數據包是一個廣播包（目標MAC地址的第一位為1），那么調用 br_flood() 函數把數據包發送給連接到網橋上的所有網絡接口。
• 調用 br_fdb_get() 獲取目標MAC地址對應的網橋端口，如果目標MAC地址對應的網橋端口存在，那么調用 br_forward() 函數把數據包轉發給此端口。
• 否則調用 調用 br_flood() 函數把數據包發送給連接到網橋上的所有網絡接口。

函數 br_forward() 用於把數據包發送給指定的網橋端口，其實現如下：

static void __br_forward(struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
    skb->dev = to->dev;
    dev_queue_xmit(skb);
}

void br_forward(struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb)
{
    if (should_forward(to, skb)) { // 端口是否能夠接收數據?
        __br_forward(to, skb);
        return;
    }
    kfree_skb(skb);
}

br_forward() 函數通過調用 __br_forward() 函數來發送數據給指定的網橋端口，__br_forward() 函數首先將數據包的輸出接口設備設置為網橋端口綁定的設備，然后調用 dev_queue_xmit() 函數將數據包發送出去。

而 br_flood() 函數用於將數據包發送給綁定到 網橋 上的所有網絡接口設備，其實現如下：

void br_flood(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb, int clone)
{
    struct net_bridge_port *p;
    struct net_bridge_port *prev;
    ...
    prev = NULL;

    p = br->port_list;
    while (p != NULL) {              // 遍歷綁定到網橋的所有網絡接口設備
        if (should_forward(p, skb)) { // 端口是否能夠接收數據包?
            if (prev != NULL) {
                struct sk_buff *skb2;

                // 克隆一個數據包
                if ((skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL) { 
                    br->statistics.tx_dropped++;
                    kfree_skb(skb);
                    return;
                }

                __br_forward(prev, skb2); // 把數據包發送給設備
            }

            prev = p;
        }

        p = p->next;
    }

    if (prev != NULL) {
        __br_forward(prev, skb);
        return;
    }

    kfree_skb(skb);
}

br_flood() 函數的實現也比較簡單，主要是遍歷綁定到網橋的所有網絡接口設備，然后調用 __br_forward() 函數將數據包轉發給設備對應的端口。