Linux路由实现机制分析

37计算机应用Linux 路由实现机制分析西安电子科技大学机电工程学院 周 帆 李红艳摘要 通过对Linux2.4.20版内核路由模块代码的分析和研究，详尽地阐述了Linux 路由机制的实现思想和技术特点，对于更好地使用Linux 的路由功能和在Linux 路由上进行二次开发都具有实际的指导意义。

关键词 Linux IP 路由 1 引言Linux 软件包中包含了简单的路由模块，主要包含了路由表和路由规则的建立以及路由查找等功能。

Linux 的路由模块基本实现了RFC1812中规定的路由处理功能。

系统启动时建立路由表并根据配置文件设置路由规则，当系统接收到一个需要转发的数据包时，内核启动路由查找算法并根据特定的路由规则在路由表中查找合适的路由信息，然后将数据包在此路由上发送出去。

开放的Linux 源代码为我们深入地了解路由模块的运行机制提供了良好的机会。

我们将根据Linux 内核网络部分的源码，详细地讨论其路由机制的各个方面。

2 路由实现中涉及的主要数据结构路由中主要的数据结构就是路由表的结构。

Linux 内核中保存着三种路由表：邻居表（neighbor table ）、路由高速缓存表（Route cache ）及转发信息表（Forwarding information base ，FIB ）。

2.1 邻居表邻居表中保存着物理上与本机直接相连的主机信息，其表项是动态的——在使用时才建立，一段时间不使用的话，对应的表项将被删除。

如果本机一直没有和临节点进行数据交换，那么邻居表就没有任何表项；反之，如果本机最近和所有与它物理相连的主机都进行过通信，那么在邻居表中对应每个物理相连的主机都有相应的表项。

邻居表是由neigh_table （include/net/neighbour.h ）结构的链表来表示，以邻居（neighbour ，定义于include/net/neighbour.h ）结构为节点，其结构关系图如图1。

邻居表结构邻居表结构邻居表结构图1 邻居表结构关系图邻居表结构中定义了两个指针数组：struct neighbour *hash_buckets [NEIGH__HASHMASK+1]和struct neighbour *phash_buckets [PNEIGH_HASHM ASK+1]，前者包含了与这个邻居表相关联的邻居的哈希数据，后者包含了与它相关联的pneigh_entry 结构的哈希数据，pneigh_entry 中定义了设备接口的指针和关键字（keys ）结构。

parms 用于存放邻居表的一些描述信息，比如：报文传送时间、队列长度等等。

next 指向下一个邻居表。

邻居结构记录着每一个“邻居”的详细信息：*dev 指向和该邻居连接的设备；mud_state 用来确定路由的状态；当本机向“邻居”发送数据时，需要在数据报中添加硬件头信息，这个信息就存放在*hh 中； arp_queue 指向该“邻居”发送的ARP 数据报。

收稿日期：2005-09-132.2 路由高速缓存路由高速缓存(Route Cache)是Linux内核中最重要的路由表，其中存储的是正在使用的和最近刚使用过的路由信息，它是内核最快地获得一条路由信息的手段和方式。

和邻居表一样，路由高速缓存也是一张动态的路由表。

路由高速缓存涉及到的数据结构为rt_hash_bucket（net/ipv4/route.c）、rtable（include/net/rou te.h）和dst_entry（include/net/dst.h），其关系结构如图2。

图2 路由高速缓存结构关系图rt_hash_bucket是一个指针数组，每一项都有一个其数据成员chain用来指向高速路由缓存组成的链表。

rtable是路由缓存中用于保存路由信息的重要数据结构。

每一个rtable结构包含了去往特定目的地址的路由信息，包括源地址（rt_src）、目的地址（rt_dst）、该路由要经过的网络接口索引号（rt_iif）、查找该路由节点的哈希值key等。

在Linux的/proc/net/rt_cache文件中，我们可以看到当前主机中保存的路由缓存信息。

2.3 转发信息表当内核在高速路由缓存中无法找到匹配的路由信息时，就会转而到转发信息表中进行查询。

转发信息表是一个非常复杂且非常重要的路由表，它是一张静态的路由表，其中包含了前往所有合法IP地址的路由信息。

转发信息表是内核用来决策如何转发数据包的最终依据。

转发表的每一条记录描述了具有一类目的地址的IP包应该使用哪个输出设备发给个哪个目的主机。

转发表记录按网络区域进行分类。

Linux内核中可以有多张转发信息表，让管理者可以更灵活、更快速地管理路由系统的运作。

在没有定义CONFIG_IP_MULTIPLE_TABLES的情况下，内核中只有三张表：本地表（local table）、主表（main table）和默认表（default table）。

本地表中保存了本地网络内的路由信息，其它网段的路由信息都存放在主表中，默认表中存放着默认的路由信息。

在Linux 2.4中转发信息表由fib_table （include/net/ip_fib.h）结构定义，其结构图如图3所示。

从图中可看出，结构fn_hash包含了一个指针数组fn_zones[33]和一个fn_zone类型的指针fn_zone_list。

前面我们提到转发信息表是按网络区域进行分类，实现上就是在fn_zones[ ]上得到体现的：路由信息按照其IP地址中网络地址的长度i存入到对应的fn_zones[i]中，i[0,32]∈为网络掩码。

fn_zones[i]中i值越大说明匹配越精确，fn_zone_list将所有不为空的fn_zones[]按i的值，从大到小地链接起来，这样做的好处就在于当内核用数据包目的地址的网络掩码来搜索路由信息时，从fn_zone_list开始逐个地在fn_zones[]中搜索，网络地址最长的路由信息会被最先找到，这符合我们的要求：送往特定IP的规则优于送往此IP所在网络的规则。

结构fib_node（net/ipv4/fib_hash.c）中记录了基本的路由信息：fn_type、fn_tos、fn_scope等。

fn_key 是哈希表的键；*fn_next中保存了下一个fib_node结构的地址，*fn_info指向fib_info结构。

fib_info中记录了某一个fib_node结构的一些相关的数据信息，如发送设备指针、下一跳网关等等。

一个fib_info中记录的信息可能在很多路由信息中都是相同的，那么这些路由条目可以共享这一fib_info结构。

所有的fib_info形成一个双向链表，fib_info_list指向此链表的头。

3 路由处理流程3.1 路由表的建立路由表的初始化可以追溯到网络层初始化函数inet_init（net/ipv4/af_inet.c）。

网络层初始化函数中分38别又调用地址解析协议初始化函数arp_init （net/ipv4/arp.c）和IP初始化函数ip_init （net/ipv4/ip_output.c），对ARP和IP协议模块进行初始化。

ARP协议的初始化过程中创建了邻居表；而路由高速缓存和转发信息表则在IP模块初始化过程中建立。

其流程可参见图4。

图4 路由表建立流程3.1.1 邻居表的建立邻居表的建立是在ARP层初始化当中进行的：负责初始化ARP层的地址解析协议初始化函数中调用了邻居表初始化函数neigh_table_init （net/core/neighbour.c），对邻居表进行初始化，在这里内核为邻居表分配了缓存空间并确定了表项的失效时间等。

邻居表由ARP协议来维护，当需要记录一个“邻居”节点的信息时，首先调用__neigh_lookup(include/net/neighbour.h)，查找该“邻居”节点是否已经记录过，如果没有就调用neigh_creat （net/core/neighbour.c），创建一个新的邻居节点并调用neigh_add(net/core/neighbour.c)，将该邻居节点添加到邻居表里。

经过一个timeout时间，本机一直没有与某个“邻居”联系的话，则调用neigh_release和neigh_destroy删除掉该邻居结构。

当“邻居”的数据发生变化的时候，主机就要使用neigh_update （net/core/neighbour.c）来更新自己的邻居表结构，从而保证网络操作的正确性。

3.1.2 路由高速缓存的建立路由缓存的建立是在内核IP模块初始化时进行的。

IP路由初始化函数中通过kmem_cache_create （mm/slab.c）尝试在slab上创建路由缓存中的rtable 结构。

IP路由初始化函数中主要是建立了路由高速缓存表的框架，具体的路由信息还是要等到有数据包进行转发时才填进来。

一个还没有和其它主机进行交换的计算机的路由高速缓存中只存储了本机回环设备的路由信息，只有当内核为需要进行转发的数据到转发信息表中查找路由信息时，才调用rt_intern_hash （net/ipv4/route.c）函数将它填入路由高速缓存中。

3.1.3 转发信息表的建立如图4所示，转发信息表的建立是从IP层转发信息表初始化函数ip_fib_init（net/ipv4/fib_frontend.c）开始的，这个函数创建了路由规则——本地表和主表，并调用fib_hash_init（net/ipv4/fib_hash.c），分别对其进行初始化。

真正向路由表中填入路由信息是从ip_auto_config（net/ipv4/ipconfig.c）开始的，ip_auto_ config中调用ic_setup_routes（net/ipv4/ipconfig.c）开始建立路由信息，然后ic_setup_routes调用ip_rt_ioctl 用来接收对路由表进行操作的ioctl调用，这里的ioctl 只有两种，一是SIOCADDRT，用来增加新的路由信息，由函数tb->tb_insert执行；另外一个是SIOCDELRT，从路由表中删除条目，由函数tb->tb_delete执行。

返回到fib_hash_init中可以看到tb->tb_insert和tb->tb_delete实际上是分别通过fn_hash_insert和fn_hash_delete来进行具体操作的。

进一步深入到fn_hash_insert函数中可以发现真正在填写路由表的是fib_create_info（net/ipv4/fib_semanti cs.c），其中包括了设置发送设备、下一跳网关等。