IP layer에서는 기본적으로 send, recv한 패킷들에 대해서 IP에 대한 operation을 처리한다. 또한, 내부적으로 패킷을 만들어낼 수도 있다. ex) multicast packets, fragmentation, ICMP/IGMP packets

IP TX Routines

이전에 TCP TX routine을 통해 layer 별 핵심 작동 함수들을 살펴봤다. (TCP TX routines참고)
대략적인 함수 흐름을 보면 다음과 같다.

sys_write() -> vfs_write() -> sock_write_iter() -> sock_sendmsg() -> inet_sendmsg() (여기까지 Socket Layer) ->
tcp_sendmsg() -> tcp_write_xmit() -> tcp_trasmit_skb() (여기까지 TCP layer) -> ip_queue_xmit() -> ip_local_out() -> ip_output() -> ip_finish_output() -> ip_finish_output2() (여기까지 IP layer)-> dev_queue_xmit()(여기까지 data link layer)

*강의 ppt 재구성

TX Function Chain

이 함수 chain에서 ip_queue_xmit() ~ ip_finish_output2()까지를 각각 살펴볼 것이다.

TX Function 1. - ip_queue_xmit()

이 함수는 L4에서 생성된 sk_buff에 대해 두가지 역할을 수행한다.

• FIB를 참고해 destination, 즉 next hop 을 결정한다.
• 이후,sk_buff에 IP header이 들어갈 공간을 생성후 version, length, Tos, TTL, address, protocol등을 초기화한다.

TX Function 2. - ip_local_out()

이 함수의 역할은 크게 3가지이다.

• checksum(error 체크)
• 해당 패킷이 loopback용인지 체크.
  만약 loopback이면, ip_local_deliver()호출
  아니라면, ip_output()호출
• Netfilter hook(NF_INET_LOCAL_OUTPUT)을 호출
  Netfilter hook? = 패킷을 처리하는 방법을 다루는 도구들의 모음. 처리 정책을 설정한다고 생각하면 된다. 여기서는 NF_INET_LOCAL_OUTPUT 호출

TX Function 3. - ip_output()

이 함수에 왔다는 것은, 이 패킷이 컴퓨터 밖으로 나갈 예정이라는 말이다.
크게 두 가지 역할을 수행한다.

• sk_buff의 메타데이터 업데이트
  어떤 장비(device)로 나가야 하는 지(e.g. eht0)에 대한 정보를 skb에 채워넣는다.(skb->dev)
  또한 이 패킷이 IP로 처리되었다는 것 또한 skb에 채워넣는다. (skb->protocol) (*skb->data 에 정의된 패킷 헤더 부분 수정하는 거 아님!)

• Netfilter hook(NF_INET_POST_ROUTING) 호출

TX Function 4. - ip_finish_output()

이 함수에서는 fragmention이 필요한지 체크하고, 필요시 진행한다.
체크하기 위해서 min(dev->mtu, IP_MAX_MTU)를 진행한다. (device의 MTU를 넘지 않아야 함. 통상적으로 1500바이트로 설정돼있음)

fragment가 필요한 경우, ip_fragment()을 통해 쪼개고 다시 ip_finish_output() -> ip_finish_output2()

필요 없는 경우, 바로 ip_finish_output2()

cf)
overhead while fragmenting : fragment를 한다는 것은 새로운 패킷을 생성한다는 것 -> 새로운 skb 가 필요함.
해결 방법 : IP layer에서 처리하지 말고, 그대로 NIC에 보내 NIC이 처리하게 하기.

TX Function 5. - ip_finish_out2()

내려보내기 전 마지막 함수이다. 두 가지 역할을 수행한다.

• 패킷에 L2 header을 위한 공간을 만들어준다.
• neighbor table을 이용해 physical address를 찾는다.
  만약 table에 없을 때, neigh_resolve_output() 을 통해 ARP요청을 보내고 physical address를 받는다.

여기까지 모두 성공적으로 끝나면 dev_queue_xmit()을 호출해 L2로 내려보낸다.

IP RX Routines

RX routine 의 대략적인 과정은 다음과 같다.

ip_rcv() -> ip_rcv_finish() -> ip_local_deliver() -> ip_local_deliver_finish() (여기까지 ip layer) ->
tcp_v4_rcv() -> tcp_v4_do_rcv() -> tcp_rcv_established() -> if slow path, tcp_data_queue(), if fast path tcp_queue_rcv() (여기까지 tcp layer) ->
이후 user의 read()가 호출하는 tcp_recvmsg() 가 데이터 복사할 때까지 receive queue에서 기다리기

*강의 ppt 재구성

RX Function Chain

위와 같은 함수 chain 에서 IP layer에 해당하는 ip_rcv() ~ ip_local_deliver_finish()을 살펴볼 것이다.

RX Function 1. - ip_rcv()

• sanity check : header - data 구분 + 헤더 사이즈, IP버전, checksum, length 확인
• Netfilter hook(NF_INET_PRE_ROUTING) 호출

RX Function 2. - ip_rcv_finish()

• dst_IP의 IP헤더와 FIB를 보고 목적지 확인
• 내거인 경우 = ip_local_deliver()
• 아닌 경우 = ip_forward()(unicast) , 또는 ip_mr_input()(multicast)

RX Function 3.1.1 - ip_local_deliver()

• reassemble (if needed) : 받은 패킷이 fragmented 된 거라면, reassemble.
• Netfilter hook(NF_INTET_LOCAL_IN) 호출

RX Function 3.1.2 - ip_local_deliver_finish()

• IP 헤더 제거
• 상위 계층인 L4 프로토콜 호출(ipprot->handler). e.g. TCP : tcp_v4_rcv(), UDP : udp_rcv()
• 매치되는 프로토콜을 가진 소켓이 없는 경우, ICMP 메시지 보냄

1. netif_receive_skb(skb)  // 네트워크 장치로부터 skb 수신
2. └── __netif_receive_skb_core()
3.     └── packet_type->func(skb)    // 예: eth_type_trans()
4.         → IP 패킷이면: ip_rcv(skb)
5.             └── ip_rcv_finish(skb)
6.                 └── ip_local_deliver(skb)
7.                     └── ip_local_deliver_finish(skb)
8.                         └── ipprot = inet_protos[iphdr->protocol]; // iphdr->protocol == 6 (TCP)-> inet_protos[6] = &tcp_protocol
9.                         └── ipprot->handler(skb); // &tcp_protocol.handler = tcp_v4_rcv()

RX Function 3.2.1 - ip_forward()

• loopback이 아닐 경우(패킷이 내거 아닐 경우) 실행
• Sanity check
• Netfilter hook(NF_INET_FORWARD) 존재

RX Function 3.2.2 - ip_forward_finish()

• 남은 IP 옵션 실행.
• 이후 ip_output()실행 (TX routine)