在 ip_rcv_finish 函数的末尾，如果目标地址并非本地接口地址，内核就需要将数据包转发到对应的主机。反之，如果目标地址是本地地址，内核则需要为上层协议处理该数据包做好准备。

20.1 转发

  • ip_forward

  • ip_forward_finish

得益于第 19 章中描述的 ip_rcv_finish 里对 ip_route_input 的调用，sk_buff 缓冲区已包含转发数据包所需的全部信息。

转发步骤如下：

  1. 处理 IP 选项。如果 IP 头部中的选项要求，可能需要记录本地 IP 地址和时间戳。

  2. 根据 IP 头部字段，确保数据包可以被转发。

  3. 对 IP 头部的生存时间（TTL）字段减 1，如果 TTL 变为 0，则丢弃该数据包。

  4. 根据与路由相关的 MTU，在需要时处理分片。

  5. 将数据包发送到出站设备。

如果数据包因某种原因无法被转发，必须通过 ICMP 消息通知源主机，并描述所遇到的问题。

即使数据包最终会被转发，也可能会发送一条 ICMP 消息作为警告，例如当数据包通过次优路由转发并触发重定向时。

在接下来的小节中，我们将分析 ip_forward 函数中的这些及其他操作。

20.1.1 ICMP 重定向

当主机系统（通常是路由器）收到的转发任务，更适合由另一台路由器来完成时，该主机就会发送 ICMP 重定向消息（更多细节见第 25 章和第 31 章）。

当数据包采用源路由时，路由器会认为发送方选择该路由有充分理由，不会自行质疑。它会遵从指定的路由，不会发送 ICMP 重定向消息。这个特殊情况会在「ip_forward 函数」一节中讲解。

20.1.2 ip_forward 函数

ip_forward 由 ip_rcv_finish 调用（见第 18 章的图 18‑1），用于处理所有目的地址并非本地系统的入站数据包。该函数以与数据包关联的缓冲区 skb 作为输入参数，所有必需的信息都包含在这个结构体中。

路由信息 skb->dst 已由 ip_rcv_finish 内部调用 ip_route_input 完成初始化（更多细节见第 33 章）。

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int ip_forward(struct sk_buff *skb)
{
	u32 mtu;
	struct iphdr *iph;	/* Our header */
	struct rtable *rt;	/* Route we use */
	struct ip_options *opt	= &(IPCB(skb)->opt);
	struct net *net;
	SKB_DR(reason);

	/* that should never happen */
    // 确认我们正在处理的数据包，在二层（L2） 上确实是发往本机的
	if (skb->pkt_type != PACKET_HOST)
		goto drop;

	if (unlikely(skb->sk))
		goto drop;

	if (skb_warn_if_lro(skb))
		goto drop;

	if (!xfrm4_policy_check(NULL, XFRM_POLICY_FWD, skb)) {
		SKB_DR_SET(reason, XFRM_POLICY);
		goto drop;
	}

    // IP 报头中有 Router Alert 选项
    // 全局列表 ip_ra_chain，包含了本地套接字列表，都设定了 IP_ROUTER_ALERT 选项
	if (IPCB(skb)->opt.router_alert && ip_call_ra_chain(skb))
		return NET_RX_SUCCESS;

	skb_forward_csum(skb);
	net = dev_net(skb->dev);

	/*
	 *	According to the RFC, we must first decrease the TTL field. If
	 *	that reaches zero, we must reply an ICMP control message telling
	 *	that the packet's lifetime expired.
	 */
	if (ip_hdr(skb)->ttl <= 1)
		goto too_many_hops;

	if (!xfrm4_route_forward(skb)) {
		SKB_DR_SET(reason, XFRM_POLICY);
		goto drop;
	}

    // rt 指向类型为 rtable 的数据结构，该结构包含转发引擎所需的全部信息，包括下一跳（rt_gateway）。
	rt = skb_rtable(skb);

	if (opt->is_strictroute && rt->rt_uses_gateway)
		goto sr_failed;

	__IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_OUTFORWDATAGRAMS);

	IPCB(skb)->flags |= IPSKB_FORWARDED;
	mtu = ip_dst_mtu_maybe_forward(&rt->dst, true);
	if (ip_exceeds_mtu(skb, mtu)) {
		IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_FRAGFAILS);
		icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_FRAG_NEEDED,
			  htonl(mtu));
		SKB_DR_SET(reason, PKT_TOO_BIG);
		goto drop;
	}

	/* We are about to mangle packet. Copy it! */
	if (skb_cow(skb, LL_RESERVED_SPACE(rt->dst.dev)+rt->dst.header_len))
		goto drop;
	iph = ip_hdr(skb);

	/* Decrease ttl after skb cow done */
    // 递减 TTL, 更新 IP 校验和
	ip_decrease_ttl(iph);

	/*
	 *	We now generate an ICMP HOST REDIRECT giving the route
	 *	we calculated.
	 */
	if (IPCB(skb)->flags & IPSKB_DOREDIRECT && !opt->srr &&
	    !skb_sec_path(skb))
        // ICMP REDIRECT
		ip_rt_send_redirect(skb);

	if (READ_ONCE(net->ipv4.sysctl_ip_fwd_update_priority))
		skb->priority = rt_tos2priority(iph->tos);

	return NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_FORWARD,
		       net, NULL, skb, skb->dev, rt->dst.dev,
		       ip_forward_finish);

sr_failed:
	/*
	 *	Strict routing permits no gatewaying
	 */
	 icmp_send(skb, ICMP_DEST_UNREACH, ICMP_SR_FAILED, 0);
	 goto drop;

too_many_hops:
	/* Tell the sender its packet died... */
	__IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_INHDRERRORS);
    // 告知来源地，这里丢弃了数据包
	icmp_send(skb, ICMP_TIME_EXCEEDED, ICMP_EXC_TTL, 0);
	SKB_DR_SET(reason, IP_INHDR);
drop:
	kfree_skb_reason(skb, reason);
	return NET_RX_DROP;
}

ip_call_ra_chain

当接收到的 ingress IP 数据包是分片形式时，ip_call_ra_chain 会先对整个 IP 数据包进行重组，然后才将其递交给 ip_ra_chain 链表上的原始套接字。

管理该告警选项的函数可以在 net/ipv4/ip_sockglue.c 中找到。

20.1.3 ip_forward_finish 函数

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static int ip_forward_finish(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	struct ip_options *opt	= &(IPCB(skb)->opt);

#ifdef CONFIG_NET_SWITCHDEV
	if (skb->offload_l3_fwd_mark) {
		consume_skb(skb);
		return 0;
	}
#endif

	if (unlikely(opt->optlen))
		ip_forward_options(skb);

	skb_clear_tstamp(skb);
	return dst_output(net, sk, skb);
}

20.1.4 dst_output 函数

  • linux 2.5.75

  • 目的地址是单播：ip_output

  • 多播：ip_mc_output

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/* Output packet to network from transport.  */
static inline int dst_output(struct sk_buff *skb)
{
	int err;

	for (;;) {
		err = skb->dst->output(skb);

		if (likely(err == 0))
			return err;
		if (unlikely(err != NET_XMIT_BYPASS))
			return err;
	}
}

int ip_output(struct sk_buff *skb)
{
	IP_INC_STATS(IpOutRequests);

	if ((skb->len > dst_pmtu(skb->dst) || skb_shinfo(skb)->frag_list) &&
	    !skb_shinfo(skb)->tso_size)
		return ip_fragment(skb, ip_finish_output);
	else
		return ip_finish_output(skb);
}

int ip_finish_output(struct sk_buff *skb)
{
	struct net_device *dev = skb->dst->dev;

	skb->dev = dev;
	skb->protocol = htons(ETH_P_IP);

	return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_POST_ROUTING, skb, NULL, dev,
		       ip_finish_output2);
}

本地传递

第 35 章会讲解转发（路由）引擎如何判断本机是否为数据包的目的主机。

我们在第 19 章 “ip_rcv_finish 函数” 一节的末尾已经看到，在 ip_rcv_finish 开头调用的 ip_route_input，会在数据包到达目的主机时，把 skb->dst->input 初始化为 ip_local_deliver（与之相对，如果需要转发则会设为 ip_forward）。

此外，Netfilter 拥有最终决定权，判断通用的 do_something 函数（如 ip_local_deliver）是否可以调用对应的 do_something_finish 函数（在本例中是 ip_local_deliver_finish）来完成处理。

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int ip_local_deliver(struct sk_buff *skb)
{
	/*
	 *	Reassemble IP fragments.
	 */

	if (skb->nh.iph->frag_off & htons(IP_MF|IP_OFFSET)) {
        // 重组
		skb = ip_defrag(skb);
		if (!skb)
			return 0;
	}

	return NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_IN, skb, skb->dev, NULL,
		       ip_local_deliver_finish);
}

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