linux核心協議棧 IPv4之傳送介面: ip_append_data() Ⅰ 【UDP使用】
目錄
1 ip_append_data 函式功能概述
ip_append_data() 主要是由 udp 使用。因為 ip_append_data() 的實現非常的複雜，涉及 skb 對資料的組織方式，以及各種出於效能考慮的分配策略，所以在分析其程式碼實現之前，有必要先討論下核心實際採取的資料組織方式。
首先需要明確 ip_append_data() 要實現的功能：
- ip_append_data() 的任務就是將多個片段合併成一個大的IP報文，該函式僅僅做合併工作，並不實際傳送報文，如果要傳送，呼叫者後面應該主動呼叫 ip_push_pending_frames()；
- 這裡要注意區分IP報文和 IP片段的不同，傳送端可以組織一個很大的IP報文，但是在實際傳送時，為了適配裝置的MTU，需要將這一個IP報文拆封成多個IP片段，這些拆分的IP片段的ipid相同，片內偏移不同；
- 該函式將引數指定的資料(from,length)按照MTU大小組織成一個個的方便後面IP協議處理的skb，並且將這些skb放入傳輸控制塊的傳送緩衝區中，這些skb在程式碼中被稱之為 pending資料；
2 skb資料組織策略
- 一個IP報文可能超過了MTU大小，這時一個IP報文就需要拆分成多個IP片段分開傳輸以適配裝置的MTU；
- 為了方便IP協議後續處理，ip_append_data()呼叫之後，IP片段和skb是一一對應的，不管skb內部是如何儲存資料的，這點都是確定的。
下面我們來看一些可能的情況。
2.1 情形1
如上圖所示，這是一種不需要分段的情形，即傳輸的資料長度小於PTMU，只需要分配一個skb就可以容納下要傳送的資料了。這裡有些關鍵點需要說明：
- 實際分配skb時，會將L2所需頭部、IP頭部、L4的頭部和資料部分都考慮進來，這樣後續協議在處理該資料包是就無需再次分配緩衝區了；
- 示例中還有IPsec header和IPsec tailer兩部分，這屬於擴充套件首部和擴充套件末尾，當啟用IPsec時，需要在IP報文的首尾追加IPsec特有的資訊，所以如果是這種情況，在分配skb時也會將這種開銷考慮進來；
- 實際分配時，如果一個IP資料包總長度小於PMTU，分配的skb長度是按照需要的大小來分配的，不會造成浪費，這點同樣適用於需要分段時的最後一個片段（可能小於PMTU）的情況。
額外需要說明的是：ip_append_data()在分配了skb後，會拷貝L4 payload部分，還會初始化skb中的某些欄位，如上圖緩衝區左側的圖示；其餘的如L4 header由呼叫ip_push_pending_frames()的函式負責填充、IP header由ip_push_pending_frames()填充。
2.2 情形2
這個例子比上一個稍微複雜一點，這個例子我們不考慮IPsec的情形。左下角為L4協議想要傳輸的報文，長度為length並且大於PMTU，一次呼叫ip_append_data()需要將這整個報文拆分成skb放入到套接字的傳送緩衝區中，這裡假設分配兩個skb可以容納length長度的資料，這時第一個skb大小為PTMU，它拷貝了x位元組的資料；第二個skb拷貝了剩餘的y位元組（x+y=length），並且第二個skb的長度小於PMTU。
由於呼叫者可能會連續呼叫ip_append_data()多次，然後再呼叫ip_push_pending_frames()啟動傳送，所以如果按照上圖的方式分配最後一個skb，再來資料時就需要重新分配skb，然後將最後一個skb的資料拷貝到新的緩衝區中，然後刪除最後一個緩衝區，執行這樣的動作是耗時的，會帶來效能的損耗。為了處理這種問題，引入了MSG_MORE標記，如果在前一次呼叫ip_append_data()時指定了MSG_MORE標記，那麼表示後面馬上還會新增新的資料，這時就可以在處理最後一部分資料時預先分配一個容納PMTU大小的skb，如下圖所示：
雖然當前無法填滿最後一個skb，但是因為很快有資料到達，所以這麼分配沒有問題。
2.3 情形3
case1和case2所舉的例子都是裝置不支援S/G IO時能夠採取的解決方案，如果裝置支援S/G IO,那麼即使L4是多次傳入小片段呼叫ip_append_data()，ip_append_data()也可以按照下圖所示方式組織資料：
上圖a表示支援S/G IO的情形下第一次呼叫ip_append_data()後的緩衝區結構，注意skb的分配是按需分配的，其大小並不是PMTU。圖b是第二次呼叫ip_append_data()後，新增的資料儲存在了前一個skb的frags陣列中，這兩塊區域並不連續，但是由於裝置支援S/G IO，所以這麼分配是沒有問題的。
要特別注意的是，上圖中的x+S1的大小依然要小於PMTU，如果超過，那麼還是需要分配一個新的skb，這是因為一個skb對應一個IP片段的原則不能打破。