linux邻居协议的功能分析

Linux邻居协议学习Linux邻居协议学习之一邻居协议概念及arp帧格式什么是邻居协议？如果一台主机和你的计算机连接在同一个LAN上（也就是说，你和这台主机通过一个共享介质相连或点对点直接相连），那么它就是你的邻居，而且他们有相同的L3网络配置。

定义邻居的另一种方式是，一台主机到其邻居必须有且仅有一个L3跳跃点，并且它的L3路由表必须提供可以直接和其邻居通信的一条路劲。

不是邻居的主机间通信必须通过网关或路由器。

neighbour项是在什么时候创建的呢?这需要从两个方向来分析，发送与接收：1、对于发送方向来说，当路由器需要转发或者需要自己发送一个数据包时，会去查找路由表当查找到的路由没有在路由缓存中时，则需要为该路由建立一个路由缓存并加入到路由缓存链表中，同时会调用arp_bind_neighbour实现路由缓存与neighbour的绑定(如果neighbour 项，则创建neighbour项)。

然后再判断neighbour项是否可用，若不可用，则将数据包存入队列中，并发送arp 请求，在接收到请求后，则将neighbour项设置为可用，并将数据从队列中取出并发送出去其邻居项的状态转换为NUD_NONE -> NUD_INCOMPLETE -> NUD_REACHABLE。

2、对于接收方向来说，当主机接收到arp request报文，则认为主机与发送请求报文之间的链路为通的，则为该发送主机创建一个邻居表项，并将其状态设置为NUD_STATE，其邻居项的状态转换为NUD_NONE -> NUD_STALE -> NUD_DELAY -> NUD_PROBE -> NUD_REACHABLEArp协议帧格式对于操作码，用于表示数据包的类型，ARP请求为1，ARP响应为2，RARP请求为3，RARP响应为4。

目前我们只需要arp请求与arp应答Linux邻居协议学习之二通用邻居处理函数对应的数据结构的分析在linux代码中，对于不同的邻居项，抽象出了一个通用的模型，通用邻居层，主要是用来进行邻居项的创建、添加、删除、查找、更新等操作。

对于通用邻居层，最主要的就是邻居项的状态机的设计，本部分先介绍相应的数据结构，在分析通用邻居处理函数时，会仔细分析邻居状态机。

本部分会简要介绍状态机。

首先是邻居状态的定义，在通用邻居项中定义了以下邻居状态：#define NUD_INCOMPLETE 0x01#define NUD_REACHABLE 0x02#define NUD_STALE 0x04#define NUD_DELAY 0x08#define NUD_PROBE 0x10#define NUD_FAILED 0x20/* Dummy states */#define NUD_NOARP 0x40#define NUD_PERMANENT 0x80#define NUD_NONE 0x00其中NUD_NOARP、NUD_PERMANENT、NUD_NONE表示该邻居项不需要邻居地址的解析。

下面我们介绍NUD_IN_TIMER、NUD_V ALID、NUD_CONNECTED对于NUD_IN_TIMER，通过名称我们就知道，当邻居项处于该状态时，则会启动定时器。

下面我们一一分析这几个邻居项状态，通过分析完这几个状态，我们就基本上会理解邻居项状态机中定时器处理函数neigh_timer_handler的设计逻辑了。

1、对于NUD_INCOMPLETE，当本机发送完arp 请求包后，还未收到应答时，即会进入该状态。

进入该状态，即会启动定时器，如果在定时器到期后，还没有收到应答时:如果没有到达最大发包上限时，即会重新进行发送请求报文；如果超过最大发包上限还没有收到应答，则会将状态设置为failed2、对于收到可到达性确认后，即会进入NUD_REACHABLE，当进入NUD_REACHABLE 状态。

当进入NUD_REACHABLE后，即会启动一个定时器，当定时器到时前，该邻居协议没有被使用过，就会将邻居项的状态转换为NUD_STALE3、对于进入NUD_STALE状态的邻居项，即会启动一个定时器。

如果在定时器到时前，有数据需要发送，则直接将数据包发送出去，并将状态设置为NUD_DELAY;如果在定时器到时，没有数据需要发送，且该邻居项的引用计数为1，则会通过垃圾回收机制，释放该邻居项对应的缓存4、处于NUD_DELAY状态的邻居项，如果在定时器到时后，没有收到可到达性确认，则会进入NUD_PROBE状态；如果在定时器到达之前，收到可到达性确认，则会进入NUD_REACHABLE (在该状态下的邻居项不会发送solicit请求，而只是等待可到达性应答。

主要包括对以前的solicit请求的应答或者收到一个对于本设备以前发送的一个数据包的应答)5、处于NUD_PROBE状态的邻居项，会发送arp solicit请求，并启动一个定时器。

如果在定时器到时前，收到可到达性确认，则进入NUD_REACHABLE；如果在定时器到时后，没有收到可到达性确认:a)没有超过最大发包次数时，则继续发送solicit请求，并启动定时器b)如果超过最大发包次数，则将邻居项状态设置为failed在上面5个状态中，在NUD_REACHABLE、NUD_PROBE、NUD_STALE、NUD_DELAY 状态时，数据包是可以正常发送的，只是发送的函数不同。

这样就不难理解NUD_V ALID 包含NUD_PERMANENT、NUD_NOARP、NUD_REACHABLE、NUD_PROBE、NUD_STALE、NUD_DELAY了对于#define NUD_CONNECTED (NUD_PERMANENT|NUD_NOARP|NUD_REACHABLE) 主要是表示邻居是可达的状态，对于NUD_PERMANENT、NUD_NOARP状态的邻居项，其邻居状态是不会改变的，一直是有效的，除非删除该邻居项。

对于NUD_REACHABLE 我们在上面已经介绍过了。

下面介绍neigh_parms、neighbour、neigh_ops、neigh_tablestruct neigh_parms {#ifdef CONFIG_NET_NSstruct net *net;#endifstruct net_device *dev;struct neigh_parms *next;int (*neigh_setup)(struct neighbour *);void (*neigh_cleanup)(struct neighbour *);struct neigh_table *tbl;void *sysctl_table;int dead;atomic_t refcnt;struct rcu_head rcu_head;int base_reachable_time;//基本有效时间，对于arp默认为30sint retrans_time;//solicit请求报文重发间隔时间int gc_staletime;//闲置时间int reachable_time;//确认有效时间超时长度，这个值每隔300s会更新一次int delay_probe_time;//在nud_delay时，为delay的超时时间；在nud_reach状态时，用于判断是否需要进入delay状态的一个时间判断点int queue_len;//缓存数据包的队列长度int ucast_probes;//发送单播solicit请求的最大次数int app_probes;// ?int mcast_probes;//发送广播solicit请求的最大次数int anycast_delay;int proxy_delay;int proxy_qlen;int locktime;};struct neighbour {struct neighbour *next;struct neigh_table *tbl;//指向该邻居项所属的邻居表struct neigh_parms *parms;struct net_device *dev;unsigned long used;//邻居项使用时间unsigned long confirmed;//connected状态确认时间unsigned long updated;//邻居项更新时间__u8 flags;__u8 nud_state;//邻居项状态值__u8 type;//邻居项地址的类型__u8 dead;atomic_t probes;//记录邻居项发送的solicit请求的次数rwlock_t lock;unsigned char ha[ALIGN(MAX_ADDR_LEN, sizeof(unsigned long))];//struct hh_cache *hh;//二层缓存头部指针，指向一个二层缓存头部atomic_t refcnt;int (*output)(struct sk_buff *skb);struct sk_buff_head arp_queue;//数据包缓存队列，当有数据包要发送，但又没有目的ip 地址对应的目的mac时，则会将数据包缓存在该队列中struct timer_list timer;const struct neigh_ops *ops; //neighbour项的函数指针表，包含发送solicit请求函数，以及不同状态下对应的输出函数u8 primary_key[0];};struct neigh_ops {int family;//所属的地址簇，对于arp，则为AF_INETvoid (*solicit)(struct neighbour *, struct sk_buff*);//发送邻居请求的函数指针void (*error_report)(struct neighbour *, struct sk_buff*);//当有数据要传送，且邻居项不可达时，则调用该函数向三层发送错误信息int (*output)(struct sk_buff*);//通用输出函数int (*connected_output)(struct sk_buff*);//当邻居项可达时，使用该函数发送数据包int (*hh_output)(struct sk_buff*);//在缓存了二层头部时，调用该函数发送数据包int (*queue_xmit)(struct sk_buff*);//真正的数据传输函数，};struct neigh_table {struct neigh_table *next; //指向下一个邻居协议对应的邻居表int family;//该邻居协议对应的地址簇int entry_size;//该邻接表所能包含的邻居项的最大值int key_len;//关键字的大小，对于arp协议，是4个字节大小__u32 (*hash)(const void *pkey, const struct net_device *);//hash函数int (*constructor)(struct neighbour *);//该邻居协议所对应的邻居项的邻居初始化函数，初始化与该邻居协议相关的成员值int (*pconstructor)(struct pneigh_entry *);void (*pdestructor)(struct pneigh_entry *);void (*proxy_redo)(struct sk_buff *skb);char *id;struct neigh_parms parms;/* HACK. gc_* shoul follow parms without a gap! */int gc_interval;//垃圾回收处理邻居项的时间间隔int gc_thresh1;//当邻居项的数量少于该值时，不会进行垃圾回收int gc_thresh2;//如果邻居项的数目超过这个值，则在新建邻居项时，若超过5秒未进行刷新，则刷新并强制垃圾回收int gc_thresh3;//当超过这个值时，则在创建新邻居项时，强制进行垃圾回收unsigned long last_flush;//记录最新一次刷新邻居表项的时间struct delayed_work gc_work;struct timer_list proxy_timer;struct sk_buff_head proxy_queue;atomic_t entries;//已创建邻居表项的数据rwlock_t lock;unsigned long last_rand;//记录neigh_parms中reach_time成员的最近更新时间struct kmem_cache *kmem_cachep;//用来分配邻居项的slab缓存struct neigh_statistics __percpu *stats;struct neighbour **hash_buckets;//存储邻居项的hash bucketunsigned int hash_mask;__u32 hash_rnd;//hash 散列表扩容时的关键字struct pneigh_entry **phash_buckets;};至此，将通用邻居项相关的主要数据结构即介绍完了。