Linux内核分析 - 网络[十四]：IP选项

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内核版本：2.6.34
      在发送报文时，可以调用函数setsockopt()来设置相应的选项，本文主要分析IP选项的生成，发送以及接收所执行的流程，选取了LSRR为例子进行说明，主要分为选项的生成、选项的转发、选项的接收三部分。
      先看一个源站路由选项的例子，下文的说明都将以此为例。
       主机IP：192.168.1.99
       源路由：192.168.1.1 192.168.1.2 192.168.1.100[dest ip]
      源站路由选项在各个主机上的情况：

      该图与<TCP/IP卷一>上的示例不同，因为这里的选项[#R1, R2, D]是以实际传输中的形式标注的，下图是源站路由选项在此过程中的具体形式：

      创建socket时，可以使用setsockopt()来设置创建socket的各种属性，setsockopt()最终调用系统接口sys_setsockopt()。
sys_setsockopt()
      level(级别)指定系统中解释选项的代码：通用的套接口代码，或某个特定协议的代码。level==SOL_SOCKET是通用的套接口选项，即不是针对于某个协议的套接口的，使用通过函数sock_setsockopt()来设置选项；level其它值：IPPROTO_IP, IPPROTO_ICMPV6, IPPROTO_IPV6则是特定协议套接口的，使用sock->ops->setsockopt(套接字特定函数)来设置选项。

      下面具体说明这个例子，生成选项 － 使用setsockopt()可以设置IP选项，形式如下：

      其中传入的opt格式如下：

      无论是何种报文(对应不同的sock)，设置IP选项最终都会调用ip_setsockopt()。比如创建的UDP socket，则调用流程为：sock->ops->setsockopt() => udp_setsockopt()  -> ip_setsockopt()。而处理IP选项的主要是由do_ip_setsockopt()来完成的。

do_ip_setsockopt() 处理ip选项
      根据optname来决定处理何种类型的选项，决定setsockopt()中参数的optval如何解释。当是IP＿OPTIONS时为IP选项，按IP选项来处理optval。

      ip_options_get_from_use()根据用户传入值optval生成选项结构opt，xchg()这句将inet->opt和opt进行了交换，即将opt赋值给了inet->opt，同时将inet->opt作为结果返回。

ip_options_get_from_user()
      分配内存给IP选项，struct ip_options记录了选项相关的一些内部数据结构，最后的属性__data[0]才指向真正的IP选项。因此在分配空间时是struct ip_options大小加上optlen大小，当然，还要做4字节对齐。

      分配空间后，拷贝用户设置的IP选项到opt->__data中；最后调用ip_options_get_finish()完成选项的处理，包括了用户传入选项的再处理、一些内部数据的填写，下面会进行详细讲解。

ip_options_get_finish()
      选项头部的空字节用IPOPT_NOOP来补齐，选项尾部的空字节用IPOPT_END来补齐，IPOPT_NOOP和IPOPT_END都占用1字节，因此optlen递增，记录选项长度到opt中。然后调用ip_options_compile()。

      ip_options_compile()实际完成选项的处理，它在两个地方被调用：生成带IP选项的报文时被调用，此时处理的是用户传入的选项；接收带有IP选项的报文时被调用，此时处理的是报文中的IP选项，下面详细看下该函数，以LSRR选项为例子。

ip_options_compile()
      这里对应于该函数应用的两种情况：
      1. 如果是生成带IP选项的报文，传入的参数skb为空(此时skb还没有创建)，optptr指向opt->__data，而上面已经看到用户设置的选项在函数ip_options_get_from_user()中被拷贝到其中；
      2. 如果接收到带IP选项的报文，传入skb不为空(收到报文时就创建了)，optptr指向报文中IP选项的位置。iph指向IP报头的位置，当然，如果是生成选项，iph所指向的位置是没有意义的。

      IP选项是按[code, len, ptr, data]这样的块排列的，每个块代表一个选项内容，多个选项可以共存，每个块4字节对齐，不足的用IPOPT＿NOOP补齐。for循环处理每个选项，其中IPOPT＿END和IPOPT＿NOOP只是特殊的占位符，需要另外处理。然后按照选项块的格式，取出选项长度len到optlen，再根据选项的code分别进行处理，可以看到获取选项块长度的代码段在IPOPT＿END和IPOPT＿NOOP之后。

      还是以宽松源路由为例子:

      首先会作一些检查，选项长度optlen不能比3小，到少有3字节的头部：code, len, ptr。指针ptr不能比4小，因为头部就有4字节。这里optlen是去除了头部的IPOPT_NOOP后的长度，而ptr的计算是包括IPOPT_NOOP的，因此一个是3一个是4；另外，选项中只能有一个源路由选项，因此当srr有值时，表示正在处理的是第二个源路由选项，则有错误。

      当skb==NULL，对应于第一种情况(生成报文选项时)；取出源路由选项的第一跳，记录到选项opt的faddr中，作为下一跳地址；源路由选项依次前移。对应于开头给出的例子，这里处理后结果如图所示：

      最后记录，is_strictroute是否是严格的路由选路，srr表示选项到IP报头的距离，同样，它只对处理收到的报文中选项时有效。

      以上是关于IP选项报文的生成，下面从ip_rcv()来看IP选项报文的接收。
       ip_rcv() -> ip_rcv_finish()
      ip_rcv()中重置IP的控制数据struct inet_skb_param为0，在IP章节已经说过，控制数据是skb中48字节的一个字段，在各层协议中含义不同，在IP层，它被解释为inet_skb_parm，包含opt和flags，其中前者与IP选项有关。

      ip_rcv_finish()中如果头部长度字段ihl大于4，则表示含有IP选项，此时调用ip_rcv_optins()来接收IP选项。

ip_rcv_options()
      iph指向IP头；opt指向控制数据的opt，对IP选项处理的结构会存放在此，作为skb的一部分，在其它地方起作用；设置opt->optlen选项长度，这里的长度包括了开头的IPOPT_NOOP字段，是4的整数倍。

      调用ip_options_compile()处理选项，这是该函数被调用的第二种情况(收到带IP选项报文时)，传入参数skb是报文的skb，函数的详细说明见上文(还是以LSRR为例)，实际上ip_options_compile()在这种情况下只相应设置了opt->is_strictroute和opt->srr，而不像在生成选项时对IP选项进行处理，对接收到IP选项的处理要留带到发送报文时。

      如果是LSRR，opt->srr在上一步中被设置，为选项到报头的距离，对于带SSRR或LSRR选项的报文来说，opt->srr值不为0，进入调用ip_options_rcv_srr()完成LSRR选项的处理。

ip_options_rcv_srr()
      该函数的主要作用是根据源站选项重新设置skb的路由项，从而改变报文的正常流程。它不会对选项进行其它操作，真正的操作在发送时完成。
      首先会进行一些检查，报文的目的MAC必须是本主机，这里检查skb->pkt_type==PACKET_HOST；如果报文的目的IP不是本机(而是在本机的邻居)，则本主只是源路径的一个中转站，此时不用再次查找路由表，直接返回，这里检查rt->rt_type==RTN_UNICAST，这种情况在LSRR中是允许的，SSRR是不允许的；如果报文的目的IP对本机来说不是直接可达，则错误返回。

      从LSRR选项中取出下一跳地址，记录到nexthop中，并查询路由表从saddr到nexthop的路由项，记录到skb中。如果没有这样的路由项，则返回错误；如果有这样的路由项且不是本机(如果下一跳是本机，则表示报文到达目的主机了)，则break跳出循环；如果下一跳就是本机，则拷贝下一跳地址到iph->daddr中。
      需要注意的是这里重新查找了一次路由表(ip_route_input)。而我们知道，在IP层会查找路由表(ip_rcv_finish函数中)，它决定报文是否该被接收还是该被转发。而这里重查一次路由表也是源站选项的意义所在，IP报头中的目的地址并不是最终地址，它只决定路径中的一站，真正的目的地由选项中的值决定，因此需要根据选项中的值作为目的地址再查找一次，以便决定接下来的动作，用查找到的路由项rt2作为报文skb的路由项。

      IP选项中的srr_is_hit和is_changed含义是不同的，srr_is_hit表示下一跳地址是从源路由选项中提取的，换言之，本机仍不是目的主机；is_changed表示IP报头是否被改变，被改变的话就需要重新计算IP报头的校验和(这里由于IP选项LSRR可能会改变IP报头的目的地址或选项LSRR中的值)。

      根据ip_options_rcv_srr()处理的结果，即再次查询路由表的结果rt2，决定报文是进行转发还是进行接收。转发的话input=ip_forward()，表明主机只是到达目的地址的中转站；接收的话，input=ip_local_deliver()，表明主机是目的地址。
先看转发的情况，主机只是到达目的地址的中转站，调用ip_forward() -> ip_forward_finish() -> ip_forward_options()，该函数完成IP选项的处理。
ip_forward_options()
     optptr指向IP选项头的位置，其中的for循环找出LSRR选项中与路由项下一跳地址rt->rt_dst相同的选项，记录在srrptr中。ip_rt_get_source()将本机地址填入LSRR选项(源站选项要求用主机的地址取代选项中的地址)，然后设置IP报头的目的地址为LSRR选项中的下一跳地址，最后LSRR中指针optptr[2]右移4个字节。

      还是以开头的例子为例，在主机192.168.1.2上收到来自192.168.1.1的报文，最后转发出去的报文选项如下图所示：

      再看接收的情况，主机是报文的最终地址，调用ip_local_deliver()像处理正常IP报文一样处理该报文，接下来的流程与”IP协议”章节中描述的一样。最终主机192.168.1.100收到的报文选项如下图所示：

总结：
      生成源站路由选项时，最后两项地址是相同的，都是192.168.1.100
      源站路由实现是依靠两次路由查找改变了报文的流程
      源站路由的更改需要重新计算校验和