dpvs学习笔记: 12 TOA 实现原理

在 full-nat two-arm 模式下，后端 real server 获取到请求的来源都是 dpvs local ip, 如何获取真实的 client ip 呢？这就需要 toa 模块，原理都说是修改了 rs 机器获取 ip 的函数，具体如何初现呢？

tcp option 字段

关于 tcp header 可以参考 wiki, 我把截图贴上来

tcp header

我们知道 ip header 里 src address 肯定是 dpvs local ip, 否则数据包无法发送。那么 client ip 放哪里呢？就是在 tcp header 的 option 字段中。

option 字段最长 40 bytes. 每填充一个选项由三部分构成：op-kind, op-length, op-data. 最常用的 mss 字段就是放在 option 里。只要构建一个不冲突的 op-kind 就可以把 client ip 填充进去。ipv4 的度度是 4 bytes, ipv6 是 16 bytes. 看来整个 option 字段在不久就会不够用。

dpvs 写 tcp option address

DPVS fullnat 在调用 tcp_fnat_in_handler 时会调用 tcp_in_add_toa 写到 mbuf.

static inline int tcp_in_add_toa(struct dp_vs_conn *conn, struct rte_mbuf *mbuf,
                          struct tcphdr *tcph)
{
    uint32_t mtu;
    struct tcpopt_addr *toa;
    uint32_t tcp_opt_len;

    uint8_t *p, *q, *tail;
    struct route_entry *rt;

    if (unlikely(conn->af != AF_INET && conn->af != AF_INET6))
        return EDPVS_NOTSUPP;

    tcp_opt_len = conn->af == AF_INET ? TCP_OLEN_IP4_ADDR : TCP_OLEN_IP6_ADDR;
    /*
     * check if we can add the new option
     */
    /* skb length and tcp option length checking */
    if ((rt = mbuf->userdata) != NULL) {
        mtu = rt->mtu;
    } else if (conn->in_dev) { /* no route for fast-xmit */
        mtu = conn->in_dev->mtu;
    } else {
        RTE_LOG(DEBUG, IPVS, "add toa: MTU unknown.\n");
        return EDPVS_NOROUTE;
    }

    if (unlikely(mbuf->pkt_len > (mtu - tcp_opt_len))) {
        RTE_LOG(DEBUG, IPVS, "add toa: need fragment, tcp opt len : %u.\n",
                tcp_opt_len);
        return EDPVS_FRAG;
    }

    /* maximum TCP header is 60, and 40 for options */
    if (unlikely((60 - (tcph->doff << 2)) < tcp_opt_len)) {
        RTE_LOG(DEBUG, IPVS, "add toa: no TCP header room, tcp opt len : %u.\n",
                tcp_opt_len);
        return EDPVS_NOROOM;
    }

    /* check tail room and expand mbuf.
     * have to pull all bits in segments for later operation. */
    if (unlikely(mbuf_may_pull(mbuf, mbuf->pkt_len) != 0))
        return EDPVS_INVPKT;
    tail = (uint8_t *)rte_pktmbuf_append(mbuf, tcp_opt_len);
    if (unlikely(!tail)) {
        RTE_LOG(DEBUG, IPVS, "add toa: no mbuf tail room, tcp opt len : %u.\n",
                tcp_opt_len);
        return EDPVS_NOROOM;
    }

    /*
     * now add address option
     */

    /* move data down, including existing tcp options
     * @p is last data byte,
     * @q is new position of last data byte */
    p = tail - 1;
    q = p + tcp_opt_len;
    while (p >= ((uint8_t *)tcph + sizeof(struct tcphdr))) {
        *q = *p;
        p--, q--;
    }

    /* insert toa right after TCP basic header */
    toa = (struct tcpopt_addr *)(tcph + 1);
    toa->opcode = TCP_OPT_ADDR;
    toa->opsize = tcp_opt_len;
    toa->port = conn->cport;

    if (conn->af == AF_INET) {
        struct tcpopt_ip4_addr *toa_ip4 = (struct tcpopt_ip4_addr *)(tcph + 1);
        toa_ip4->addr = conn->caddr.in;
    }
    else {
        struct tcpopt_ip6_addr *toa_ip6 = (struct tcpopt_ip6_addr *)(tcph + 1);
        toa_ip6->addr = conn->caddr.in6;
    }


    /* reset tcp header length */
    tcph->doff += tcp_opt_len >> 2;

    /* reset ip header total length */
    if (conn->af == AF_INET)
        ip4_hdr(mbuf)->total_length =
            htons(ntohs(ip4_hdr(mbuf)->total_length) + tcp_opt_len);
    else
        ip6_hdr(mbuf)->ip6_plen =
            htons(ntohs(ip6_hdr(mbuf)->ip6_plen) + tcp_opt_len);

    /* tcp csum will be recalc later, 
     * so as IP hdr csum since iph.tot_len has been chagned. */
    return EDPVS_OK;
}
  1. 根据 ipv4 ipv6 来确定 toa 需要的长度，2 bytes op-kind, 2 bytes op-length 再加上地址长度。所以 ipv4 共需 8 bytes, ipv6 共需 20 bytes
  2. TCP header 最大长度 60，option 最大长度 40，确何不会超过
  3. rte_pktmbuf_append 将 mbuf 扩展空间，能容纳 toa
  4. 填充 tcpopt_addr 结构体，op-kind TCP_OPT_ADDR 是 254，非官方 tcp/ip 认可的值。端口值是 conn->cport, 最后填充 conn->caddr.in 或 conn->caddr.in6 地址。

real server 安装 toa

很简单，make 编绎后生成 toa.ko 驱动，然后 insmod toa.ko 即可。所有 real server 都需要安装。先看下 module_init 函数 toa_init

static int __init
toa_init(void)
{

    TOA_INFO("TOA " TOA_VERSION " by pukong.wjm\n");

    /* alloc statistics array for toa */
    ext_stats = alloc_percpu(struct toa_stat_mib);
    if (NULL == ext_stats)
        return 1;
    proc_net_fops_create(&init_net, "toa_stats", 0, &toa_stats_fops);

    /* get the address of function sock_def_readable
     * so later we can know whether the sock is for rpc, tux or others
     */
    sk_data_ready_addr = kallsyms_lookup_name("sock_def_readable");
    TOA_INFO("CPU [%u] sk_data_ready_addr = "
        "kallsyms_lookup_name(sock_def_readable) = %lu\n",
         smp_processor_id(), sk_data_ready_addr);
    if (0 == sk_data_ready_addr) {
        TOA_INFO("cannot find sock_def_readable.\n");
        goto err;
    }

#ifdef TOA_IPV6_ENABLE
    if (0 != get_kernel_ipv6_symbol()) {
        TOA_INFO("get ipv6 struct from kernel fail.\n");
        goto err;
    }
#endif
    
    /* hook funcs for parse and get toa */
    hook_toa_functions();

    TOA_INFO("toa loaded\n");
    return 0;

err:
    proc_net_remove(&init_net, "toa_stats");
    if (NULL != ext_stats) {
        free_percpu(ext_stats);
        ext_stats = NULL;
    }

    return 1;
}
  1. proc_net_fops_create 在 /proc 文件系统下注册 /proc/net/toa_stats 用于查看统计使用
  2. kallsyms_lookup_name 根据名称来获取 sock_def_readable 地址
  3. get_kernel_ipv6_symbol 如果支持 ipv6, 获取相应的回调函数地址
  4. hook_toa_functions 将 toa 功能 hook 进内核
    proc_net_fops_create
/* replace the functions with our functions */
static inline int
hook_toa_functions(void)
{
    /* hook inet_getname for ipv4 */
    struct proto_ops *inet_stream_ops_p =
            (struct proto_ops *)&inet_stream_ops;
    /* hook tcp_v4_syn_recv_sock for ipv4 */
    struct inet_connection_sock_af_ops *ipv4_specific_p =
            (struct inet_connection_sock_af_ops *)&ipv4_specific;

    inet_stream_ops_p->getname = inet_getname_toa;
    TOA_INFO("CPU [%u] hooked inet_getname <%p> --> <%p>\n",
        smp_processor_id(), inet_getname, inet_stream_ops_p->getname);

    ipv4_specific_p->syn_recv_sock = tcp_v4_syn_recv_sock_toa;
    TOA_INFO("CPU [%u] hooked tcp_v4_syn_recv_sock <%p> --> <%p>\n",
        smp_processor_id(), tcp_v4_syn_recv_sock,
        ipv4_specific_p->syn_recv_sock);

#ifdef TOA_IPV6_ENABLE
    inet6_stream_ops_p->getname = inet6_getname_toa;
    TOA_INFO("CPU [%u] hooked inet6_getname <%p> --> <%p>\n",
        smp_processor_id(), inet6_getname, inet6_stream_ops_p->getname);

    ipv6_specific_p->syn_recv_sock = tcp_v6_syn_recv_sock_toa;
    TOA_INFO("CPU [%u] hooked tcp_v6_syn_recv_sock <%p> --> <%p>\n",
        smp_processor_id(), tcp_v6_syn_recv_sock_org_pt,
        ipv6_specific_p->syn_recv_sock);
#endif

    return 0;
}

仔细看看也不难，就是将 inet ops 回调函数 getname 替换为 toa 的。但是我有问题，如果请求不来自 dpvs，普通的请求会不会也受影响？

可以看到 hook 了两个函数 tcp_v4_syn_recv_sock_toa 和 inet_getname_toa

real server 获取 client ip

当完成三次握手时调用 tcp_v4_syn_recv_sock_toa

static struct sock *
tcp_v4_syn_recv_sock_toa(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
            struct request_sock *req, struct dst_entry *dst)
{
    struct sock *newsock = NULL;

    TOA_DBG("tcp_v4_syn_recv_sock_toa called\n");

    /* call orginal one */
    newsock = tcp_v4_syn_recv_sock(sk, skb, req, dst);

    /* set our value if need */
    if (NULL != newsock && NULL == newsock->sk_user_data) {
        newsock->sk_user_data = get_toa_data(AF_INET, skb);
        if (NULL != newsock->sk_user_data)
            TOA_INC_STATS(ext_stats, SYN_RECV_SOCK_TOA_CNT);
        else
            TOA_INC_STATS(ext_stats, SYN_RECV_SOCK_NO_TOA_CNT);

        TOA_DBG("tcp_v4_syn_recv_sock_toa: set "
            "sk->sk_user_data to %p\n",
            newsock->sk_user_data);
    }
    return newsock;
}
  1. 调用原有函数 tcp_v4_syn_recv_sock 处理，也就是就里兼容了原有逻辑，普通非 toa 请求也会正常获取到 ip
  2. 额外调用 get_toa_data 生成地址，可以看到地址放到了 sk->sk_user_data 字段。
static void *get_toa_data(int af, struct sk_buff *skb)
{
    struct tcphdr *th;
    int length;
    unsigned char *ptr;

    TOA_DBG("get_toa_data called\n");

    if (NULL != skb) {
        th = tcp_hdr(skb);
        length = (th->doff * 4) - sizeof(struct tcphdr);
        ptr = (unsigned char *) (th + 1);

        while (length > 0) {
            int opcode = *ptr++;
            int opsize;
            switch (opcode) {
            case TCPOPT_EOL:
                return NULL;
            case TCPOPT_NOP:    /* Ref: RFC 793 section 3.1 */
                length--;
                continue;
            default:
                opsize = *ptr++;
                if (opsize < 2) /* "silly options" */
                    return NULL;
                if (opsize > length)
                    /* don't parse partial options */
                    return NULL;
                if (TCPOPT_TOA == opcode &&
                    TCPOLEN_IP4_TOA == opsize) {

                    struct toa_ip4_data tdata;
                    void *ret_ptr = NULL;

                    memcpy(&tdata, ptr - 2, sizeof(tdata));
                    TOA_DBG("af = %d, find toa data: ip = "
                        TOA_NIPQUAD_FMT", port = %u\n",
                        af,
                        TOA_NIPQUAD(tdata.ip),
                        ntohs(tdata.port));
                    if (af == AF_INET) {
                        memcpy(&ret_ptr, &tdata,
                            sizeof(ret_ptr));
                        TOA_DBG("coded ip4 toa data: %p\n",
                            ret_ptr);
                        return ret_ptr;
                    }
#ifdef TOA_IPV6_ENABLE
                    else if (af == AF_INET6) {
                        struct toa_ip6_data *ptr_toa_ip6 =
                            kmalloc(sizeof(struct toa_ip6_data), GFP_ATOMIC);
                        if (!ptr_toa_ip6) {
                            return NULL;
                        }
                        ptr_toa_ip6->opcode = opcode;
                        ptr_toa_ip6->opsize = TCPOLEN_IP6_TOA;
                        ipv6_addr_set(&ptr_toa_ip6->in6_addr, 0, 0,
                            htonl(0x0000FFFF), tdata.ip);
                        TOA_DBG("coded ip6 toa data: %p\n",
                            ptr_toa_ip6);
                        TOA_INC_STATS(ext_stats, IP6_ADDR_ALLOC_CNT);
                        return ptr_toa_ip6;
                    }
#endif
                }

#ifdef TOA_IPV6_ENABLE
                if (TCPOPT_TOA == opcode &&
                    TCPOLEN_IP6_TOA == opsize &&
                    af == AF_INET6) {
                    struct toa_ip6_data *ptr_toa_ip6 =
                        kmalloc(sizeof(struct toa_ip6_data), GFP_ATOMIC);
                    if (!ptr_toa_ip6) {
                            return NULL;
                    }
                    memcpy(ptr_toa_ip6, ptr - 2, sizeof(struct toa_ip6_data));

                    TOA_DBG("find toa_v6 data : ip = "
                        TOA_NIP6_FMT", port = %u,"
                        " coded ip6 toa data: %p\n",
                        TOA_NIP6(ptr_toa_ip6->in6_addr),
                        ptr_toa_ip6->port,
                        ptr_toa_ip6);
                    TOA_INC_STATS(ext_stats, IP6_ADDR_ALLOC_CNT);
                    return ptr_toa_ip6;
                }
#endif
                ptr += opsize - 2;
                length -= opsize;
            }
        }
    }
    return NULL;
}
  1. 遍历所有 option, 根据 opcode 来处理 ipv4 或是 ipv6
  2. 将 toa struct 复制一份，然后返回

然后当 real server 调用 getpeername 或是 getsocketname 时调用 inet_getname_toa 来获取 ip，如果是 ipv6 则调用 inet6_getname_toa

inet_getname_toa(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
        int *uaddr_len, int peer)
{
    int retval = 0;
    struct sock *sk = sock->sk;
    struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *) uaddr;
    struct toa_ip4_data tdata;

    TOA_DBG("inet_getname_toa called, sk->sk_user_data is %p\n",
        sk->sk_user_data);

    /* call orginal one */
    retval = inet_getname(sock, uaddr, uaddr_len, peer);

    /* set our value if need */
    if (retval == 0 && NULL != sk->sk_user_data && peer) {
        if (sk_data_ready_addr == (unsigned long) sk->sk_data_ready) {
            memcpy(&tdata, &sk->sk_user_data, sizeof(tdata));
            if (TCPOPT_TOA == tdata.opcode &&
                TCPOLEN_IP4_TOA == tdata.opsize) {
                TOA_INC_STATS(ext_stats, GETNAME_TOA_OK_CNT);
                TOA_DBG("inet_getname_toa: set new sockaddr, ip "
                    TOA_NIPQUAD_FMT" -> "TOA_NIPQUAD_FMT
                    ", port %u -> %u\n",
                    TOA_NIPQUAD(sin->sin_addr.s_addr),
                    TOA_NIPQUAD(tdata.ip), ntohs(sin->sin_port),
                    ntohs(tdata.port));
                sin->sin_port = tdata.port;
                sin->sin_addr.s_addr = tdata.ip;
            } else { /* sk_user_data doesn't belong to us */
                TOA_INC_STATS(ext_stats,
                        GETNAME_TOA_MISMATCH_CNT);
                TOA_DBG("inet_getname_toa: invalid toa data, "
                    "ip "TOA_NIPQUAD_FMT" port %u opcode %u "
                    "opsize %u\n",
                    TOA_NIPQUAD(tdata.ip), ntohs(tdata.port),
                    tdata.opcode, tdata.opsize);
            }
        } else {
            TOA_INC_STATS(ext_stats, GETNAME_TOA_BYPASS_CNT);
        }
    } else { /* no need to get client ip */
        TOA_INC_STATS(ext_stats, GETNAME_TOA_EMPTY_CNT);
    }

    return retval;
}
  1. 调用原有 inet_getname 函数，获取 ip，兼容原有内核逻辑
  2. 判断 sk_user_data 不为空，并且结构体 op-kind op-length 与 ipv4 toa 的相等，获取 ip port ,并填充 sin

小结

实现原理还真简单，只不过有两个隐患。

  1. 如果 option 以后扩充其它内容，长度不够咋办？资源本身就不多
  2. op-kind 254 现在不被 tcp/ip 官方认可，以后会不会被占用？
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 199,711评论 5赞 468
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 83,932评论 2赞 376
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 146,770评论 0赞 330
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 53,799评论 1赞 271
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 62,697评论 5赞 359
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 48,069评论 1赞 276
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 37,535评论 3赞 390
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 36,200评论 0赞 254
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 40,353评论 1赞 294
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,290评论 2赞 317
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,331评论 1赞 329
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 33,020评论 3赞 315
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,610评论 3赞 303
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,694评论 0赞 19
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 30,927评论 1赞 255
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,330评论 2赞 346
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 41,904评论 2赞 341

推荐阅读更多精彩内容