Типы адресов

Структура sockaddr_ll описывает независимый от устройства адрес на физическом уровне.

struct sockaddr_ll {

    unsigned short sll_family;   /* всегда равно AF_PACKET */

    unsigned short sll_protocol; /* протокол физического уровня */

    int            sll_ifindex;  /* номер интерфейса */

    unsigned short sll_hatype;   /* тип аппаратного ARP */

    unsigned char  sll_pkttype;  /* тип пакета */

    unsigned char  sll_halen;    /* длина адреса */

    unsigned char  sll_addr[8];  /* адрес на физическом уровне */
};

Поля этой структуры имеют следующее назначение:

• Поле sll_protocol содержит стандартные типы протокола ethernet в сетевом порядке байт; значения определены в заголовочном файле <linux/if_ether.h>. Это значение по умолчанию для протокола сокета.
• Поле sll_ifindex содержит индекс интерфейса (смотрите netdevice(7)); 0 означает любой интерфейс (допустимо только для привязывания). Поле sll_hatype содержит тип ARP; значения хранятся в заголовочном файле <linux/if_arp.h>.
• В поле sll_pkttype содержится тип пакета. Допустимые типы: PACKET_HOST — пакет предназначен локальному узлу, PACKET_BROADCAST — широковещательный пакет физического уровня, PACKET_MULTICAST — пакет, посланный на групповой (multicast) адрес физического уровня, PACKET_OTHERHOST — пакет предназначен не тому узлу, где он пойман драйвером устройства в неразборчивом режиме, PACKET_OUTGOING — пакет, поступивший от локального узла и завёрнутый обратно в пакетный сокет. Эти типы имеют смысл только для принятых пакетов.
• В полях sll_addr и sll_halen содержится адрес физического уровня (например, IEEE 802.3) и его длина. Конкретный смысл зависит от устройства.

Когда вы посылаете пакеты, достаточно указать sll_family, sll_addr, sll_halen, sll_ifindex и sll_protocol. Остальные поля должны равняться 0. Поля sll_hatype и sll_pkttype заполняются в получаемых пакетах для вашей информированности.

Параметры сокета

Параметры пакетных сокетов настраиваются вызовом setsockopt(2) с уровнем SOL_PACKET.

PACKET_ADD_MEMBERSHIP

PACKET_DROP_MEMBERSHIP

Пакетные сокеты можно использовать для настройки неразборчивого режима и групповой рассылки на физическом уровне. Параметр PACKET_ADD_MEMBERSHIP добавляет привязку, PACKET_DROP_MEMBERSHIP отменяет её. Для обоих в качестве аргумента передаётся структура packet_mreq:

struct packet_mreq {

    int            mr_ifindex;    /* индекс интерфейса */

    unsigned short mr_type;       /* действие */

    unsigned short mr_alen;       /* длина адреса */

    unsigned char  mr_address[8]; /* адрес физ-кого уровня */
};

В mr_ifindex содержится индекс интерфейса, состояние которого нужно изменить. В поле mr_type указывается какое действие нужно выполнить. Значение PACKET_MR_PROMISC включает приём всех пакетов из общего носителя (часто называется «неразборчивый режим»), PACKET_MR_MULTICAST привязывает сокет к групповой рассылке физического уровня, задаваемой в mr_address и mr_alen, а PACKET_MR_ALLMULTI заставляет сокет принимать все пакеты групповых рассылок, поступающих на интерфейс.

Также, для тех же целей можно использовать обычные ioctl SIOCSIFFLAGS, SIOCADDMULTI, SIOCDELMULTI.

PACKET_AUXDATA (начиная с Linux 2.6.21)

Если включён этот двоичный параметр, то пакетный сокет передаёт структуру метаданных вместе с каждым пакетом в управляющем поле recvmsg(2). Структуру можно прочитать с помощью cmsg(3). Она определена как:

struct tpacket_auxdata {

    __u32 tp_status;

    __u32 tp_len;      /* длина пакета */

    __u32 tp_snaplen;  /* захваченная длина */

    __u16 tp_mac;

    __u16 tp_net;

    __u16 tp_vlan_tci;

    __u16 tp_padding;
};

PACKET_FANOUT (начиная с Linux 3.1)

Для масштабирования обработки на несколько нитей, пакетные сокеты можно объединять в разветвлённую группу (fanout group). В этом режиме каждый подходящий пакет ставится в очередь только одного сокета в группе. Сокет добавляется в разветвлённую группу вызовом setsockopt(2) с уровнем SOL_PACKET и параметром PACKET_FANOUT. Каждое сетевое пространство имён может включать до 65536 независимых групп. Сокет выбирает группу по закодированному ID в первых 16 битах целочисленного значения параметра. Первый пакетный сокет, подключаемый к группе неявно её создаёт. Для успешного подключения к существующей группе все дальнейшие пакетные сокеты должны иметь тот же протокол, настройки устройства, режим разветвления и флаги (смотрите далее). Пакетные сокеты могут покинуть группу только при закрытия сокета. Группа удаляется после закрытия последнего сокета.

Для разветвления поддерживается несколько алгоритмов распределения трафика по сокетам:

Режимы разветвления могут учитывать дополнительные параметры. Фрагментация IP приводит к тому, что пакеты одного потока имеют разные хэши потоков. Если установлен флаг PACKET_FANOUT_FLAG_DEFRAG, то пакеты будут дефрагментироваться перед применением разветвления, что позволит сохранить порядок даже в этом случае. Параметры режима разветвления задаются во вторых 16 битах целочисленного значения параметра. Флаг PACKET_FANOUT_FLAG_ROLLOVER включает механизм перекатывания в качестве запасного: если первоначальный алгоритм разветвления выбрал занятый сокет, то пакет переходит на следующий доступный.

PACKET_LOSS (с PACKET_TX_RING)

Когда в кольце передачи обнаруживается некорректный пакет, то по умолчанию его состояние в tp_status сбрасывается в TP_STATUS_WRONG_FORMAT и происходит немедленная отмена передачи. Некорректный пакет блокирует как свою отправку, так и всех следующих пакетов в очереди. Ошибка в формате должна быть исправлена, соответствующий tp_status сброшен в значение TP_STATUS_SEND_REQUEST, а передача перезапущена с помощью send(2). Однако, если задан параметр PACKET_LOSS, то все некорректные пакеты будут пропускаться, их tp_status сбрасываться в TP_STATUS_AVAILABLE и процесс передачи продолжаться.

PACKET_RESERVE (с PACKET_RX_RING)

По умолчанию, в кольцо приёма пакетов сразу за пакетом записывается структура метаданных и заполнитель для выравнивания. Этот целочисленный параметр резервирует дополнительное свободное место.

PACKET_RX_RING

Включает создание отображаемого в памяти кольцевого буфера асинхронного приёма пакетов. Пакетный сокет резервирует непрерывную область в адресном пространстве приложения, размечает её как массив пакетных слотов и последовательно копирует пакеты (не более tp_snaplen) в слоты. В начале каждого пакета помещается структура метаданных, похожая на tpacket_auxdata. В поле протокола кодируется смещение данных от начала заголовка метаданных. В tp_net хранится смещение сетевого уровня. Если тип пакетного сокета — SOCK_DGRAM, то это делается и для tp_mac. Если тип — SOCK_RAW, то в этом поле хранится смещение на кадр канального уровня. Пакетный сокет и приложение обмениваются началом и концом кольца через поле tp_status. Пакетному сокету принадлежат все слоты со значением tp_status равным TP_STATUS_KERNEL. После заполнения слота, изменяется состояние слота и права на него передаются приложению. При нормальной работе в новом значении tp_status, как минимум, установлен бит TP_STATUS_USER, что показывает, что принятый пакет был сохранён. Когда приложение заканчивает обработку пакета, оно передаёт права на слот обратно сокету посредством установки tp_status в значение TP_STATUS_KERNEL.

Для пакетных сокетов реализовано несколько вариантов пакетных колец. Информацию о реализации можно найти в файле Documentation/networking/packet_mmap.txt из дерева исходного кода ядра Linux.

PACKET_STATISTICS

Возвращает статистику по пакетному сокету в виде структуры

struct tpacket_stats {

    unsigned int tp_packets;  /* общее количество пакетов */

    unsigned int tp_drops;    /* кол-во отброшенных пакетов */
};

При получении статистики сбрасываются внутренние счётчики. Если используется вариант кольца TPACKET_V3, то статистика имеет другую структуру.

PACKET_TIMESTAMP (с PACKET_RX_RING; начиная с Linux 2.6.36)

В кольце приёма пакетов всегда сохраняется метка времени в заголовке метаданных. По умолчанию, это метка генерируется ПО при копировании пакета в кольцо. Данный целочисленный параметр задаёт тип метки времени. Кроме значения по умолчанию, поддерживается два аппаратных формата, описанных в файле Documentation/networking/timestamping.txt из дерева исходного кода ядра Linux.

PACKET_TX_RING (начиная с Linux 2.6.31)

Включает создание отображаемого в памяти кольцевого буфера передачи пакетов. Этот параметр подобен PACKET_RX_RING и имеет те же аргументы. Приложение записывает пакеты в слоты со значением tp_status равным TP_STATUS_AVAILABLE и планирует их для передачи делая значение tp_status равным TP_STATUS_SEND_REQUEST. Когда пакеты готовы к передаче, приложение вызывает send(2) или его вариант. Поля buf и len в этом вызове игнорируются. Если передаётся адрес с помощью sendto(2) или sendmsg(2), то он заменяет сокетное значение по умолчанию. При успешной передаче сокет сбрасывает значение tp_status в TP_STATUS_AVAILABLE. При ошибке передача немедленно прерывается, если не задан PACKET_LOSS.

PACKET_VERSION (с PACKET_RX_RING; начиная с Linux 2.6.27)

По умолчанию, PACKET_RX_RING создаёт кольцо приёма пакетов по варианту TPACKET_V1. Для создания другого варианта, задайте желаемый, указав целочисленное значение в этом параметре перед созданием кольца.

PACKET_QDISC_BYPASS (начиная с Linux 3.14)

По умолчанию, пакеты, посылаемые через пакетные сокеты, проходят через уровень ядра qdisc (управление трафиком), что правильно в подавляющем большинстве случаев. Для программно-аппаратных комплексов, использующих пакетные фильтры для затопления сети — например, для тестирования устройств под нагрузкой, подобно тому, как это делает pktgen — этот уровень можно не задействовать, установив целочисленной параметр в 1. Побочным эффектом будет отмена пакетной буферизации на уровне qdisc, что приведёт к увеличению отброшенных пакетов при занятости передающих очередей сетевого устройства; поэтому, пользуйтесь с осторожностью.

Вызовы ioctl

Вызов SIOCGSTAMP можно использовать для получения метки времени последнего полученного пакета. Аргументом является struct timeval.

Также, для пакетных сокетов работают все стандартные ioctl, определённые в netdevice(7) и socket(7).

Обработка ошибок

Пакетные сокеты не выполняют обработку ошибок, кроме ошибок, которые возникают при передаче пакета драйверу устройства. В них не заложен принцип ожидания ошибки.

Совместимость

В Linux 2.0 единственным способом получить пакетный сокет является вызов:

socket(AF_INET, SOCK_PACKET, протокол)

Он всё ещё поддерживается, но устарел и настоятельно не рекомендуется. Основным отличием между методами — для указания интерфейса через SOCK_PACKET используется старая struct sockaddr_pkt, которая не предоставляет независимого физического уровня.

struct sockaddr_pkt {

    unsigned short spkt_family;

    unsigned char  spkt_device[14];

    unsigned short spkt_protocol;
};

В spkt_family содержится тип устройства, в spkt_protocol — тип протокола IEEE 802.3, определённый в <sys/if_ether.h>, а в spkt_device — имя устройства в виде строки с null в конце, например, eth0.

Эта структура устарела и не должна использоваться в новом коде.