Linux內核分析 - 網絡[十四]：IP選項

內核版本：2.6.34

在發送報文時，可以調用函數setsockopt()來設置相應的選項，本文主要分析IP選項的生成，發送以及 接收所執行的流程，選取了LSRR為例子進行說明，主要分為選項的生成、選項的轉發、選項的接收三部分。

先看一個源站路 由選項的例子，下文的說明都將以此為例。

主機IP：192.168.1.99

源路由：192.168.1.1 192.168.1.2 192.168.1.100 [dest ip]

源站路由選項在各個主機上的情況：

該圖與<TCP/IP卷一>上的示例不同，因為這裡的選項[#R1, R2, D]是以實際傳輸中的形式標注的，下圖是源站路由選項在此過程 中的具體形式：

創建socket時， 可以使用setsockopt()來設置創建socket的各種屬性，setsockopt()最終調用系統接口sys_setsockopt()。

sys_setsockopt ()

level(級別)指定系統中解釋選項的代碼：通用的套接口代碼，或某個特定協議的代碼。level==SOL_SOCKET是通用的套接 口選項，即不是針對於某個協議的套接口的，使用通過函數sock_setsockopt()來設置選項；level其它值：IPPROTO_IP, IPPROTO_ICMPV6, IPPROTO_IPV6則是特定協議套接口的，使用sock->ops->setsockopt(套接字特定函數)來設置選項。

if (level == SOL_SOCKET)     
 err = sock_setsockopt(sock, level, optname, optval, optlen);     
else 
err = sock->ops->setsockopt(sock, level, optname, optval, optlen);

下面具體說明這個例子，生成選項 － 使用setsockopt()可以設置IP選項，形式如下：

setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_OPTIONS, &opt, optlen);

其中傳入的opt格式如下：

無論是何種報文(對應不同的sock)，設置IP選項最終都會調用ip_setsockopt()。比如創建 的UDP socket，則調用流程為：sock->ops->setsockopt() => udp_setsockopt()  -> ip_setsockopt()。而 處理IP選項的主要是由do_ip_setsockopt()來完成的。

do_ip_setsockopt() 處理ip選項

根據optname來決定處理何種 類型的選項，決定setsockopt()中參數的optval如何解釋。當是IP＿OPTIONS時為IP選項，按IP選項來處理optval。

switch (optname) {     
 case IP_OPTIONS:

ip_options_get_from_use()根據用戶傳入值optval生成選項結構opt，xchg()這句將inet->opt 和opt進行了交換，即將opt賦值給了inet->opt，同時將inet->opt作為結果返回。

err = 

ip_options_get_from_user(sock_net(sk), &opt, optval, optlen);     
opt = xchg(&inet->opt, opt);     
kfree(opt);

ip_options_get_from_user()

分配內存給IP選項，struct ip_options記錄了選項相關的一些內部數據 結構，最後的屬性__data[0]才指向真正的IP選項。因此在分配空間時是struct ip_options大小加上optlen大小，當然，還要做 4字節對齊。

struct ip_options *opt = ip_options_get_alloc(optlen);     
static struct ip_options *ip_options_get_alloc(const int optlen)     
{     
 return kzalloc(sizeof(struct ip_options) + ((optlen + 3) & ~3), GFP_KERNEL);     
}

分配空間後，拷貝用戶設置的IP選項到opt->__data中；最後調用ip_options_get_finish()完成選項的處理，包 括了用戶傳入選項的再處理、一些內部數據的填寫，下面會進行詳細講解。

copy_from_user(opt->__data, data, 

optlen)；     
return ip_options_get_finish(net, optp, opt, optlen);

ip_options_get_finish()

選項頭部的空字節用 IPOPT_NOOP來補齊，選項尾部的空字節用IPOPT_END來補齊，IPOPT_NOOP和IPOPT_END都占用1字節，因此optlen遞增，記錄選項 長度到opt中。然後調用ip_options_compile()。

while (optlen & 3)     
 opt->__data[optlen++] = IPOPT_END;     
opt->optlen = optlen;

ip_options_compile()實際完成選項的處理，它在兩個地方被調用：生成帶IP選項的報文 時被調用，此時處理的是用戶傳入的選項；接收帶有IP選項的報文時被調用，此時處理的是報文中的IP選項，下面詳細看下該函 數，以LSRR選項為例子。

ip_options_compile(net, opt, NULL)；     
kfree(*optp);     
*optp = opt;

ip_options_compile()

這裡對應於該函數應用的兩種情況：

1. 如果是生成帶IP選項的報文，傳入 的參數skb為空(此時skb還沒有創建)，optptr指向opt->__data，而上面已經看到用戶設置的選項在函數 ip_options_get_from_user()中被拷貝到其中；

2. 如果接收到帶IP選項的報文，傳入skb不為空(收到報文時就創建了)， optptr指向報文中IP選項的位置。iph指向IP報頭的位置，當然，如果是生成選項，iph所指向的位置是沒有意義的。

if (skb != NULL) {     
 rt = skb_rtable(skb);     
 optptr = (unsigned char *)&(ip_hdr(skb)[1]);     
} else 
 optptr = opt->__data;     
iph = optptr - sizeof(struct iphdr);

IP選項是按[code, len, ptr, data]這樣的塊排列的，每個塊代表一個選項 內容，多個選項可以共存，每個塊4字節對齊，不足的用IPOPT＿NOOP補齊。for循環處理每個選項，其中IPOPT＿END和IPOPT＿ NOOP只是特殊的占位符，需要另外處理。然後按照選項塊的格式，取出選項長度len到optlen，再根據選項的code分別進行處理 ，可以看到獲取選項塊長度的代碼段在IPOPT＿END和IPOPT＿NOOP之後。

for (l = opt->optlen; l > 0; ) {   

  
 switch (*optptr) {     
  case IPOPT_END: ….     
  case IPOPT_NOOP: ...     
   …...     
  optlen = optptr[1];     
  if (optlen<2 || optlen>l) {     
   pp_ptr = optptr;     
   goto error;     
  }     
  case …...      
   …...// 處理代碼段     
 }     
 l -= optlen;     
 optptr += optlen;     
}

還是以寬松源路由為例子:

case IPOPT_LSRR:

首先會作一些檢查，選項長度optlen不能比3 小，到少有3字節的頭部：code, len, ptr。指針ptr不能比4小，因為頭部就有4字節。這裡optlen是去除了頭部的IPOPT_NOOP後 的長度，而ptr的計算是包括IPOPT_NOOP的，因此一個是3一個是4；另外，選項中只能有一個源路由選項，因此當srr有值時，表 示正在處理的是第二個源路由選項，則有錯誤。

if (optlen < 3) {     
 pp_ptr = optptr + 1;     
 goto error;     
}     
if (optptr[2] < 4) {     
 pp_ptr = optptr + 2;     
 goto error;     
}     
/* NB: cf RFC-1812 5.2.4.1 */ 
if (opt->srr) {     
 pp_ptr = optptr;     
 goto error;     
}

當skb==NULL，對應於第一種情況(生成報文選項時)；取出源路由選項的第一跳，記錄到選項opt的faddr中，作為下 一跳地址；源路由選項依次前移。對應於開頭給出的例子，這裡處理後結果如圖所示：

if (!skb) {     
 if (optptr[2] != 4 || optlen < 7 || ((optlen-3) & 3)) {     
  pp_ptr = optptr + 1;     
  goto error;     
 }     
 memcpy(&opt->faddr, &optptr[3], 4);     
 if (optlen > 7)     
  memmove(&optptr[3], &optptr[7], optlen-7);     
}

最後 記錄，is_strictroute是否是嚴格的路由選路，srr表示選項到IP報頭的距離，同樣，它只對處理收到的報文中選項時有效。

opt->is_strictroute = (optptr[0] == IPOPT_SSRR);     
opt->srr = optptr - iph;

以上是關於IP選項報文的生成，下面從ip_rcv()來看IP選項報文的接收。

ip_rcv() -> ip_rcv_finish()

ip_rcv()中重置IP的控制數據struct inet_skb_param為0，在IP章節已經說過，控制數據是skb中48 字節的一個字段，在各層協議中含義不同，在IP層，它被解釋為inet_skb_parm，包含opt和flags，其中前者與IP選項有關。

memset(IPCB(skb), 0, sizeof(struct inet_skb_parm));     
struct inet_skb_parm {     
 struct ip_options opt;  /* Compiled IP options  */ 
 unsigned char  flags;     
};

ip_rcv_finish()中如果頭部長度字段ihl大於4，則表示含有IP選項，此時調用ip_rcv_optins()來接收IP選項。

if (iph->ihl > 5 && ip_rcv_options(skb))     
 goto drop;

ip_rcv_options()

iph指向IP頭；opt指向控制數據的opt，對IP選項處理的結構會存放在此，作為skb 的一部分，在其它地方起作用；設置opt->optlen選項長度，這裡的長度包括了開頭的IPOPT_NOOP字段，是4的整數倍。

iph = ip_hdr(skb);     
opt = &(IPCB(skb)->opt);     
opt->optlen = iph->ihl*4 - sizeof(struct iphdr);

調用ip_options_compile()處理選項，這是該函數被調 用的第二種情況(收到帶IP選項報文時)，傳入參數skb是報文的skb，函數的詳細說明見上文(還是以LSRR為例)，實際上 ip_options_compile()在這種情況下只相應設置了opt->is_strictroute和opt->srr，而不像在生成選項時對IP選項進行 處理，對接收到IP選項的處理要留帶到發送報文時。

if (ip_options_compile(dev_net(dev), opt, skb)) {     
 IP_INC_STATS_BH(dev_net(dev), IPSTATS_MIB_INHDRERRORS);     
 goto drop;     
}

如果是LSRR，opt->srr在上一步中被設置，為選項到報頭的距離，對於帶SSRR或LSRR選項的報文來說，opt- >srr值不為0，進入調用ip_options_rcv_srr()完成LSRR選項的處理。

if (unlikely(opt->srr)) {     
 ……     
 if (ip_options_rcv_srr(skb))     
  goto drop;     
}     
return 0;

ip_options_rcv_srr()

該函數的主要作用是根據源站選項重新設置skb的路由項，從而改變報文的正常流 程。它不會對選項進行其它操作，真正的操作在發送時完成。

首先會進行一些檢查，報文的目的MAC必須是本主機，這裡檢查 skb->pkt_type==PACKET_HOST；如果報文的目的IP不是本機(而是在本機的鄰居)，則本主只是源路徑的一個中轉站，此時不 用再次查找路由表，直接返回，這裡檢查rt->rt_type==RTN_UNICAST，這種情況在LSRR中是允許的，SSRR是不允許的；如果 報文的目的IP對本機來說不是直接可達，則錯誤返回。

if (skb->pkt_type != PACKET_HOST)     
 return -EINVAL;     
if (rt->rt_type == RTN_UNICAST) {     
 if (!opt->is_strictroute)     
  return 0;     
 icmp_send(skb, ICMP_PARAMETERPROB, 0, htonl(16<<24));     
 return -EINVAL;     
}     
if (rt->rt_type != RTN_LOCAL)     
 return -EINVAL;

從LSRR選項中取出下一跳地址，記錄到nexthop中，並查詢路由表從saddr到nexthop的路由項，記錄 到skb中。如果沒有這樣的路由項，則返回錯誤；如果有這樣的路由項且不是本機(如果下一跳是本機，則表示報文到達目的主機 了)，則break跳出循環；如果下一跳就是本機，則拷貝下一跳地址到iph->daddr中。

需要注意的是這裡重新查找了一次路 由表(ip_route_input)。而我們知道，在IP層會查找路由表(ip_rcv_finish函數中)，它決定報文是否該被接收還是該被轉發。 而這裡重查一次路由表也是源站選項的意義所在，IP報頭中的目的地址並不是最終地址，它只決定路徑中的一站，真正的目的地 由選項中的值決定，因此需要根據選項中的值作為目的地址再查找一次，以便決定接下來的動作，用查找到的路由項rt2作為報 文skb的路由項。

for (srrptr=optptr[2], srrspace = optptr[1]; srrptr <= srrspace; srrptr += 4) {     
 memcpy(&nexthop, &optptr[srrptr-1], 4);     
         
 rt = skb_rtable(skb);     
 skb_dst_set(skb, NULL);     
 err = ip_route_input(skb, nexthop, iph->saddr, iph->tos, skb->dev);     
 rt2 = skb_rtable(skb);     
 if (err || (rt2->rt_type != RTN_UNICAST && rt2->rt_type != RTN_LOCAL)) {     
  ip_rt_put(rt2);     
  skb_dst_set(skb, &rt->u.dst);     
  return -EINVAL;     
 }     
 ip_rt_put(rt);     
 if (rt2->rt_type != RTN_LOCAL)     
  break;     
 /* Superfast 8) loopback forward */ 
 memcpy(&iph->daddr, &optptr[srrptr-1], 4);     
 opt->is_changed = 1;     
}

IP選項中的srr_is_hit和is_changed含義是不同的，srr_is_hit表示下一跳地址是從源路由選項中提取的，換言之， 本機仍不是目的主機；is_changed表示IP報頭是否被改變，被改變的話就需要重新計算IP報頭的校驗和(這裡由於IP選項LSRR可 能會改變IP報頭的目的地址或選項LSRR中的值)。

if (srrptr <= srrspace) {     
 opt->srr_is_hit = 1;     
 opt->is_changed = 1;     
}

根據ip_options_rcv_srr()處理的結果，即再次查詢路由表的結果rt2，決定報文是進行轉發還是進行接收。轉發的 話input=ip_forward()，表明主機只是到達目的地址的中轉站；接收的話，input=ip_local_deliver()，表明主機是目的地址。

先看轉發的情況，主機只是到達目的地址的中轉站，調用ip_forward() -> ip_forward_finish() -> ip_forward_options()，該函數完成IP選項的處理。

ip_forward_options()

optptr指向IP選項頭的位置，其中的for循環 找出LSRR選項中與路由項下一跳地址rt->rt_dst相同的選項，記錄在srrptr中。ip_rt_get_source()將本機地址填入LSRR選 項(源站選項要求用主機的地址取代選項中的地址)，然後設置IP報頭的目的地址為LSRR選項中的下一跳地址，最後LSRR中指針 optptr[2]右移4個字節。

if (opt->srr_is_hit) {     
 int srrptr, srrspace;     
 optptr = raw + opt->srr;     
         
 for ( srrptr=optptr[2], srrspace = optptr[1]; srrptr <= srrspace; srrptr += 4 ) {     
  if (srrptr + 3 > srrspace)     
   break;     
  if (memcmp(&rt->rt_dst, &optptr[srrptr-1], 4) == 0)     
   break;     
 }     
 if (srrptr + 3 <= srrspace) {     
  opt->is_changed = 1; 
  ip_rt_get_source(&optptr[srrptr-1], rt);     
  ip_hdr(skb)->daddr = rt->rt_dst;     
  optptr[2] = srrptr+4;     
 } else if (net_ratelimit())     
  printk(KERN_CRIT "ip_forward(): Argh! Destination lost!\n");     
 ……     
}

還是以開頭的例子為例，在主機192.168.1.2上收到來自192.168.1.1的報文，最後轉發出去的報文選項如下圖所示：

再看接 收的情況，主機是報文的最終地址，調用ip_local_deliver()像處理正常IP報文一樣處理該報文，接下來的流程與”IP協議”章 節中描述的一樣。最終主機192.168.1.100收到的報文選項如下圖所示：

總結：

生成源站路 由選項時，最後兩項地址是相同的，都是192.168.1.100

源站路由實現是依靠兩次路由查找改變了報文的流程

源站路由的 更改需要重新計算校驗和