4. sk_buff 数据操作：skb_push、skb_pull、skb_put、skb_reserve、数据拷贝与共享

sk_buff 是 Linux 网络子系统中最重要的数据结构，它承载着从网络设备到协议栈、再到用户空间的全部网络数据。理解 sk_buff 的数据操作函数，是编写正确、高效的网络驱动的基础。本章将深入剖析 skb_push、skb_pull、skb_put、skb_reserve 四个核心指针操作函数，以及数据拷贝与共享机制。

4.1 sk_buff 内存布局与指针体系

每个 sk_buff 实例管理着一块连续的数据缓冲区，并通过四个关键指针来定位数据的不同区域：

这四个指针将缓冲区划分为三个关键区域：

• headroom：head 到 data 之间的预留空间，用于协议头封装。
• data room：data 到 tail 之间的有效数据区域。
• tailroom：tail 到 end 之间的可用空间，用于追加数据。

4.2 核心数据操作函数

四个核心函数分别对应着数据指针的不同移动方向，它们共同构成了 sk_buff 数据操作的基础。

4.2.1 skb_put：向尾部追加数据

skb_put(skb, len) 将 tail 指针向后移动 len 字节，扩大有效数据区域。该函数返回移动前 tail 的位置，供调用者填充数据。常用于驱动在接收数据后，将数据从硬件缓冲区拷贝到 sk_buff 中。

// 驱动接收路径典型用法
struct sk_buff *skb = netdev_alloc_skb(dev, ETH_FRAME_LEN);
if (!skb)
    return -ENOMEM;

// 从硬件 FIFO 读取数据到 skb->data 区域
int pkt_len = read_from_hw_fifo(skb->data, max_len);

// 调整 tail 指针，标记有效数据长度
skb_put(skb, pkt_len);

// 此时 skb->len == pkt_len, skb->tail 指向数据末尾

4.2.2 skb_push：向头部添加协议头

skb_push(skb, len) 将 data 指针向前移动 len 字节，在数据包前端预留空间。该函数返回移动后新的 data 指针，调用者可直接向该位置写入协议头。常用于协议栈向下传递时，各层添加自己的头部。

// 添加以太网头示例
struct ethhdr *eth = (struct ethhdr *)skb_push(skb, ETH_HLEN);
eth->h_proto = htons(ETH_P_IP);
memcpy(eth->h_source, dev->dev_addr, ETH_ALEN);
memcpy(eth->h_dest, dst_mac, ETH_ALEN);

4.2.3 skb_pull：从头部移除数据

skb_pull(skb, len) 将 data 指针向后移动 len 字节，缩小有效数据区域。该函数返回移动前 data 指针的值。常用于协议栈向上传递时，剥离已处理完成的协议头。

// IP 层处理完 IP 头后，将 data 指针移向 TCP 头
struct iphdr *iph = (struct iphdr *)skb->data;
int ip_hdr_len = iph->ihl * 4;

// 剥离 IP 头，data 指向 TCP 头
__skb_pull(skb, ip_hdr_len);

// 此时 skb->data 指向 TCP 头起始位置

4.2.4 skb_reserve：预留头部空间

skb_reserve(skb, len) 在 sk_buff 分配后立即调用，将 data 和 tail 指针同时向前移动 len 字节，在缓冲区前端预留 headroom。该函数必须在填充数据之前调用，且只能调用一次。

// 分配 sk_buff 并预留 128 字节 headroom
struct sk_buff *skb = alloc_skb(ETH_FRAME_LEN + 128, GFP_ATOMIC);
if (!skb)
    return NULL;

// 预留 128 字节 headroom
skb_reserve(skb, 128);

// 此时 headroom = 128, tailroom = ETH_FRAME_LEN
// 后续 skb_push 最多可添加 128 字节协议头

4.3 数据拷贝与共享机制

网络数据包在协议栈中传递时，经常需要避免不必要的内存拷贝以提高性能。Linux 内核提供了多种数据共享与拷贝机制。

4.3.1 skb_clone：轻量级克隆

skb_clone(skb, gfp_mask) 创建一个新的 sk_buff 实例，但新实例与原始实例共享同一块数据缓冲区。克隆操作只复制 sk_buff 结构体本身（约 200-300 字节），不复制数据。克隆后的两个 sk_buff 通过引用计数共享数据，任何一方修改数据前必须确保自己是唯一引用者。

// 在桥接或数据包分发场景中使用
struct sk_buff *clone = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);
if (!clone) {
    // 克隆失败，原始 skb 继续处理
    goto original_path;
}

// clone 和 skb 共享同一数据缓冲区
// 各自可以独立修改 sk_buff 的指针（data/tail 等）
// 但不能同时修改数据内容

4.3.2 pskb_copy：部分拷贝

pskb_copy(skb, gfp_mask) 创建一个新的 sk_buff，并拷贝数据缓冲区的前面部分（通常是协议头区域）。该函数常用于协议转换场景，只需要修改头部而保留负载数据共享。

// NAT 或隧道封装场景
struct sk_buff *new_skb = pskb_copy(skb, GFP_ATOMIC);
if (!new_skb)
    return -ENOMEM;

// new_skb 拥有独立的头部区域，可以安全修改
// 负载数据仍与原始 skb 共享
struct iphdr *iph = (struct iphdr *)new_skb->data;
iph->saddr = new_saddr;  // 安全修改

4.3.3 skb_copy：完整拷贝

skb_copy(skb, gfp_mask) 创建一个全新的 sk_buff，并完整拷贝整个数据缓冲区。这是最安全的拷贝方式，但开销也最大。仅在确实需要独立数据副本时使用。

// 需要完全独立的数据副本时
struct sk_buff *copy = skb_copy(skb, GFP_KERNEL);
if (!copy)
    return -ENOMEM;

// copy 拥有完全独立的数据缓冲区
// 可以任意修改，不影响原始 skb

4.4 三种拷贝方式对比

4.5 引用计数与数据安全

共享数据时，引用计数机制确保数据缓冲区在最后一个引用释放后才被回收。关键函数包括：

• skb_get(skb)：增加引用计数，标记新增一个使用者。
• kfree_skb(skb)：减少引用计数，当计数归零时释放数据缓冲区。
• skb_shared(skb)：检查 sk_buff 是否被多个实例共享。
• skb_share_check(skb, gfp_mask)：如果共享则自动克隆，返回可安全修改的 sk_buff。

// 安全修改共享 sk_buff 的标准模式
struct sk_buff *skb = receive_packet(dev);

// 检查是否被共享，如果共享则克隆
skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC);
if (!skb)
    return -ENOMEM;

// 此时 skb 是唯一引用，可以安全修改数据
unsigned char *data = skb->data;
data[0] = 0xFF;  // 安全修改

4.6 驱动开发中的最佳实践

// 驱动接收函数的完整示例
static int my_rx_poll(struct napi_struct *napi, int budget) {
    struct my_priv *priv = container_of(napi, struct my_priv, napi);
    int work_done = 0;

    while (work_done < budget) {
        struct sk_buff *skb = netdev_alloc_skb(priv->dev, RX_BUF_SIZE);
        if (!skb)
            break;

        // 预留 2 字节对齐 + 16 字节额外 headroom
        skb_reserve(skb, NET_IP_ALIGN + 16);

        // 从硬件读取数据
        int pkt_len = hw_read_packet(priv->hw, skb->data, RX_BUF_SIZE);
        if (pkt_len <= 0) {
            dev_kfree_skb(skb);
            continue;
        }

        // 标记数据长度
        skb_put(skb, pkt_len);

        // 设置协议类型
        skb->protocol = eth_type_trans(skb, priv->dev);

        // 传递给协议栈
        netif_receive_skb(skb);
        work_done++;
    }

    return work_done;
}

4.7 常见错误与调试