Linux 路由表建立过程分析

Linux 路由表建立过程深度分析

一、工作原理

路由表是 Linux 网络栈的核心组件，用于决策数据包的转发路径。其建立过程分为三个层次：

1. 内核初始化阶段

   • 自动创建本地路由表（local 表）
   • 为每个网络接口生成直连路由（scope link）
   • 本地地址路由（scope host）

2. 用户空间配置

   • 静态路由：通过 ip route 或配置文件添加
   • 动态路由：通过守护进程（如 BIRD/FRR）注入

3. 内核决策机制

   • 基于最长前缀匹配（LPM）算法
   • 多路由表支持（策略路由）
   • 路由缓存（已合并到主表）

二、实现机制与代码框架

核心路径： net/ipv4/route.c 和 net/ipv4/fib_*.c

详细流程解析：

1. 用户空间发起请求

   • 通过ip route add命令或Netlink API发送路由添加请求
   • 消息类型：RTM_NEWROUTE (netlink消息头中的nlmsg_type)

2. 内核接收处理

   • 入口函数：rtnetlink_rcv() (net/core/rtnetlink.c)

   static void rtnetlink_rcv(struct sk_buff *skb)
   {netlink_rcv_skb(skb, &rtnetlink_rcv_msg);
   }
   

3. 路由添加流程

   • 核心函数：rtm_to_fib_config() (net/ipv4/fib_frontend.c)

   static int rtm_to_fib_config(struct net *net, struct sk_buff *skb,struct nlmsghdr *nlh, struct fib_config *cfg)
   {// 解析netlink属性：目标网络、网关、设备等
   }
   

4. 路由表操作

   • 路由表选择：fib_get_table() (net/ipv4/fib_trie.c)

   struct fib_table *fib_get_table(struct net *net, u32 id)
   {// 根据ID获取路由表（main表ID=254）
   }
   

5. Trie树插入

   • 核心算法：trie_insert() (net/ipv4/fib_trie.c)

   static int fib_insert_node(struct trie *t, struct key_vector *tp,struct fib_alias *new, t_key key)
   {// 在LC-Trie中插入新节点// 处理节点分裂和合并
   }
   

6. 路由信息更新

   • 创建路由信息结构：fib_create_info() (net/ipv4/fib_semantics.c)

   struct fib_info *fib_create_info(struct fib_config *cfg)
   {// 分配fib_info结构// 设置下一跳(fib_nh)、作用域(scope)等
   }
   

7. 通知机制

   • 路由更新通知：rtmsg_fib() (net/ipv4/fib_frontend.c)

   static void rtmsg_fib(int event, __be32 key, struct fib_alias *fa,int dst_len, u32 tb_id, struct nl_info *info)
   {// 通过netlink发送RTM_NEWROUTE通知
   }
   

关键代码流程：

1. 路由添加入口：rtnetlink_rcv() (net/core/rtnetlink.c)
2. 路由表操作：fib_table_insert() (net/ipv4/fib_trie.c)
3. Trie 树操作：trie_insert() (net/ipv4/fib_trie.c)
4. 路由查找：ip_route_input_slow() (net/ipv4/route.c)

三、核心数据结构

// 路由表抽象（include/net/ip_fib.h）
struct fib_table {u32         tb_id;          // 路由表ID（e.g. RT_TABLE_MAIN）int         (*tb_lookup)(...); // 查找函数struct trie *tb_data;        // Trie 树根节点
};// Trie 树节点（net/ipv4/fib_trie.c）
struct tnode {t_key key;                  // 关键键值unsigned long pos;          // 位位置struct tnode __rcu *child[0]; // 子节点
};// 路由信息（include/net/ip_fib.h）
struct fib_info {struct hlist_node fib_hash;int              fib_treeref;u32              fib_prefsrc; // 首选源地址unsigned char    fib_scope;  // 作用域struct fib_nh    fib_nh[0];  // 下一跳数组
};// 下一跳信息
struct fib_nh {struct net_device *nh_dev;  // 出口设备u32               nh_gw;    // 网关IP
};

四、路由添加实例代码

#include <arpa/inet.h>
#include <linux/netlink.h>
#include <linux/rtnetlink.h>
#include <net/if.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>// 创建 netlink 路由消息
void add_route(const char *dst, int prefixlen, const char *gw, const char *dev) {int sock = socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE);struct {struct nlmsghdr nh;struct rtmsg rt;char buf[1024];} req = {0};// 初始化 netlink 头req.nh.nlmsg_len = NLMSG_LENGTH(sizeof(struct rtmsg));req.nh.nlmsg_flags = NLM_F_REQUEST | NLM_F_CREATE | NLM_F_EXCL;req.nh.nlmsg_type = RTM_NEWROUTE;// 设置路由属性req.rt.rtm_family = AF_INET;req.rt.rtm_dst_len = prefixlen;req.rt.rtm_table = RT_TABLE_MAIN;req.rt.rtm_scope = RT_SCOPE_UNIVERSE;req.rt.rtm_protocol = RTPROT_STATIC;req.rt.rtm_type = RTN_UNICAST;// 添加目标网络struct rtattr *rta = (struct rtattr *)((char *)&req + NLMSG_ALIGN(req.nh.nlmsg_len));rta->rta_type = RTA_DST;rta->rta_len = RTA_LENGTH(4);inet_pton(AF_INET, dst, RTA_DATA(rta));req.nh.nlmsg_len += rta->rta_len;// 添加网关或设备if (gw) {rta = (struct rtattr *)((char *)&req + NLMSG_ALIGN(req.nh.nlmsg_len));rta->rta_type = RTA_GATEWAY;rta->rta_len = RTA_LENGTH(4);inet_pton(AF_INET, gw, RTA_DATA(rta));req.nh.nlmsg_len += rta->rta_len;} else {rta = (struct rtattr *)((char *)&req + NLMSG_ALIGN(req.nh.nlmsg_len));rta->rta_type = RTA_OIF;rta->rta_len = RTA_LENGTH(4);int ifindex = if_nametoindex(dev);memcpy(RTA_DATA(rta), &ifindex, 4);req.nh.nlmsg_len += rta->rta_len;}// 发送到内核send(sock, &req, req.nh.nlmsg_len, 0);close(sock);
}int main() {// 添加路由：目标 10.1.0.0/24 通过网关 192.168.1.1add_route("10.1.0.0", 24, "192.168.1.1", NULL);return 0;
}

编译命令：gcc route_add.c -o route_add

五、常用工具与调试命令

1. 路由管理工具

   # 查看路由表
   ip route show table main
   ip -6 route  # IPv6路由# 添加/删除路由
   ip route add 192.168.2.0/24 via 10.0.0.1 dev eth0
   ip route del default via 192.168.1.1# 策略路由
   ip rule add from 192.168.1.100 lookup custom_table
   

2. 调试命令

   # 内核路由日志
   dmesg | grep "IPv4:"# 路由查找模拟
   ip route get 8.8.8.8 from 192.168.1.100 iif eth0# 路由表统计
   cat /proc/net/stat/rt_cache# Netlink 监控
   nlmon  # 需要加载 nlmon 驱动
   

3. 动态调试

   # 启用内核调试
   echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
   echo "file net/ipv4/* +p" > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control# Ftrace 跟踪
   echo function > /sys/kernel/tracing/current_tracer
   echo fib_table_lookup > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
   cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe
   

####六、关键调试技巧

1. 路由查找问题

   • 检查 ip route get 输出是否匹配预期
   • 验证反向路径过滤：sysctl net.ipv4.conf.all.rp_filter
   • 检查路由表ID：ip route show table all

2. 路由表不一致

   • 比较 ip route 和 cat /proc/net/route（十六进制格式）
   • 检查路由协议守护进程状态（如 BIRD/FRR）

3. 内核崩溃分析

   • 使用 crash 工具检查 fib_info 结构
   • 分析 oops 日志中的函数调用栈

七、性能优化

1. 路由表结构选择

   • 小规模网络：Hash 表
   • 大规模路由：LC-Trie（Linux 默认）
   • 超大规模：硬件卸载（如 DPDK）

2. 路由缓存策略

   • 禁用已弃用的路由缓存：sysctl net.ipv4.route.flush=1
   • 优化垃圾回收参数：sysctl net.ipv4.route.gc_timeout

3. 多核扩展

   • 使用每核路由表（Per-CPU Routing Tables）
   • 配置 RPS（Receive Packet Steering）

通过深入理解路由表建立机制，可有效诊断网络问题（如路由黑洞、转发环路），并优化大型网络环境下的路由性能。实际应用中需结合具体场景选择静态配置或动态路由协议（如 OSPF/BGP）。