mbuf（存储器缓存）详解【转】
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原文链接：https://blog.csdn.net/yexiangCSDN/article/details/88355509
作者：HarkerYX
一、mbuf 介绍
在BSD TCP/IP协议栈代码设计中的一个基本概念就是存储器缓存，称作一个mbuf，全称为"memory buffer"，用于存储各种信息。mbuf的主要用途是保存在进程和网络接口间互相传递的用户数据。但mbuf也用于保存其他各种数据：源与目标地址、插口选项等等。mbuf相当于Linux内核中的skb。
mbuf的相关定义在文件/4.4BSD-Lite/usr/src/sys/sys/Mbuf.h
二、mbuf 结构体
/*每个mbuf的大小*/
#define MSIZE 128
/*一个mbuf簇(外部缓存)的大小*/
#define MCLBYTES 2048
/*128-20=108,正常mbuf中的最大数据量*/
#define MLEN (MSIZE - sizeof(struct m_hdr)) /* normal data len */
/*108-8=100,带分组首部的mbuf的最大数据量*/
#define MHLEN (MLEN - sizeof(struct pkthdr)) /* data len w/pkthdr */
/*208,存储到簇中的最小数据量*/
#define MINCLSIZE (MHLEN + MLEN)/* mbuf的头部信息 */
这个结构用来描述mbuf跟具体的内容无关
struct m_hdr {struct mbuf *mh_next; /* 指向链中下一个mbuf的指针 */struct mbuf *mh_nextpkt; /* 指向下一个链的指针 */int mh_len; /* mbuf中数据的长度（不包括头部） */char *mh_data; /* 指向数据区的指针 */short mh_type; /* mbuf的数据类型，如MT_DATA*/short mh_flags; /* mbuf标识，具体定义见下 */
};/ *记录/包头在链的第一个mbuf中; M_PKTHDR设置有效* /
struct pkthdr {int len; /* 整个mbuf链表包含数据的总长度，在链表的第一个mbuf中维护一个带有总长度的分组首部的原因是，当需要总长度时可以避免查看所有mbuf中的mh_len来求和*/struct ifnet *rcvif; /* 指向接收分组的接收接口结构的指针*/
};/ *描述外部存储映射到mbuf，M_EXT设置有效* /
struct m_ext {caddr_t ext_buf; /* 缓冲区的开始 */void (*ext_free)(); /* free routine if not the usual */u_int ext_size; /* 缓冲区大小，对于ext_free */
};这个就是mbuf的描述，设计的比较巧妙
struct mbuf {struct m_hdr m_hdr;union {struct {struct pkthdr MH_pkthdr; /* M_PKTHDR set */union {struct m_ext MH_ext; /* M_EXT set */char MH_databuf[MHLEN];} MH_dat;} MH;char M_databuf[MLEN]; /* !M_PKTHDR, !M_EXT */} M_dat;
};// 为了便于访问，这里定义了很多宏
#define m_next m_hdr.mh_next
#define m_len m_hdr.mh_len
#define m_data m_hdr.mh_data
#define m_type m_hdr.mh_type
#define m_flags m_hdr.mh_flags
#define m_nextpkt m_hdr.mh_nextpkt
#define m_act m_nextpkt
#define m_pkthdr M_dat.MH.MH_pkthdr
#define m_ext M_dat.MH.MH_dat.MH_ext
#define m_pktdat M_dat.MH.MH_dat.MH_databuf
#define m_dat M_dat.M_databufmbuf的总长为128个字节，前20个字节是首部（struct m_hdr），mbuf可以用成员mh_next和mh_nextpkt链接起来。（m_next指向链中下一个mbuf，而m_nextpkt指向下一个链）
三、mbuf 四种类型
可以看到mbuf大体由两部分组成，m_hdr和M_dat。
M_dat是个联合体，使用其中哪个成员是由m_hdr.mh_flags来决定的。
1.如果mh_flags里没有M_EXT与M_PKTHDR，则此mbuf完全是用来存放数据的。总共可以存放MLEN（108）字节的数据
2.如果mh_flags里有M_EXT则此mbuf使用外部簇（外部存储空间（cluster））来存放数据
3.如果mh_flags里有M_PKTHDR，则此mbuf是一个记录的起始mbuf（某个packet的一串mbuf中的第一个），由于MH_pkthdr占用了部分空间，总共只能存放MHLEN（100）字节的数据；
4.如果mh_flags里既有M_PKTHDR又有M_EXT（注意： 一个mbuf可以同时设置上述两个标志）则此mbuf是起始mbuf，但是使用外部簇来存放数据。
/* mbuf mh_flags*/#define M_EXT 0x0001 /* 一个mbuf的大小是128字节，是一个相对比较小的缓存。如果数据比较多，就需要多个mbuf连起来或者用一个叫簇的东西来存储数据。M_EXT就是这个标志 */#define M_PKTHDR 0x0002 /* 表明分组的第一个mbuf，在数据区中有pkthdr */
#define M_EOR 0x0004 /* 表明记录的尾部，TCP是一个字节流，不设置这个标志 */
m_hdr.mh_type 介绍
/* mbuf types */
#define MT_FREE 0 /* should be on free list */
#define MT_DATA 1 /* dynamic (data) allocation */ 数据就是这个类型
#define MT_HEADER 2 /* packet header */
#define MT_SOCKET 3 /* socket structure */
#define MT_PCB 4 /* protocol control block */
#define MT_RTABLE 5 /* routing tables */
#define MT_HTABLE 6 /* IMP host tables */
#define MT_ATABLE 7 /* address resolution tables */
#define MT_SONAME 8 /* socket name */
#define MT_SOOPTS 10 /* socket options */
#define MT_FTABLE 11 /* fragment reassembly header */
#define MT_RIGHTS 12 /* access rights */
#define MT_IFADDR 13 /* interface address */
#define MT_CONTROL 14 /* extra-data protocol message */
#define MT_OOBDATA 15 /* expedited data */
当mh_flags设置为M_PKTHDR时，一般与下面的类型进行或操作 如 mh_flags |= M_MCAST
/* mbuf pkthdr flags, also in m_flags */#define M_BCAST 0x0100 /* send/received as link-level broadcast */#define M_MCAST 0x0200 /* send/received as link-level multicast *//* flags copied when copying m_pkthdr */
这个具体干嘛用的不懂。。。
#define M_COPYFLAGS (M_PKTHDR|M_EOR|M_BCAST|M_MCAST)判断类型
(m_flags & M_PKTHDR) == 1
(m_flags & M_EXT) == 1
mbuf大小固定的理由：
1. 可以最大限度地避免内存碎片的产生
2. 可在不重新分配和拷贝的前提下完成协议对数据区的操作。
3. 如果mbuf不是固定长度，dtom()函数的开销将会非常大。
4. mbuf中的pakcet头中的tags用于携带一些关于packet的但又不能放在packet内部的信息。
四、mbuf 四种类型(图示)
把图中分为四个部分：从左到右依次叫 图-1，图-2，图-3，图-4
1. m_flags的值为0，图-1 表示此mbuf只包含数据。在mbuf中有108字节的数据空间（m_dat数组，详情见mbuf结构定义），指针m_data指向这108字节缓存中的某个位置。图中m_data指向缓存数据的起始位置，但它可以指向缓存中的任意位置。m_len指示了从m_data开始的数据字节数。
2. m_flags的值为M_PKTHDR，图-2 M_PKTHDR表示此mbuf是一个分组首部，而且是一个分组数据的第一个mbuf。数据仍然保存在这个mbuf中，但是由于分组首部占用8个字节，所以只有100字节的数据可以存储在这个mbuf中（m_pktdat数组，详情见mbuf结构定义）。
m_pkthdr.len的值是这个分组的mbuf链中所有数据的总长度；即所有通过m_next指针链接的mbuf的m_len值的和。输出分组的m_pkthdr.rcvif为空，但是对于输入分组，m_pkthdr.rcvif是一个指向接收接口的ifnet结构的指针。
3. m_flags的值为M_EXT，图-3 这种mbuf没有分组首部（没有设置M_PKTHDR），但是包含超过208字节的数据（MINCLSIZE），此时用到一个叫“簇”的外部缓存（设置M_EXT）。此mbuf中仍然为分组首部分配了空间，但是没用，图-3 中用阴影表示出来。
一般来说，我们希望这种类型的mbuf的m_len的值最小为209，即至少存储的数据大小为209字节（而不应该是图-3 中的208，图中有误）。208字节数据可以存放到两个mbuf中，第一个存放100字节，第二个存放108字节。
4. m_flags的值为M_PKTHDR|M_EXT，图-4 此类mbuf包含一个分组首部，并且数据超过208字节。
关于mbuf的几点说明：
1. mbuf结构的大小总是128字节。这意味着图-3、图-4两个mbuf在结构m_ext后面的未用空间为88字节（128-20-8-12）。
2. 既然有些协议（例如UDP）允许零长记录，当然就可以有m_len为0的缓存。
3. 在每个mbuf中的成员m_data指向相应缓存数据的开始（mbuf本身或者一个簇）。这个指针能指向相应缓存的任意位置，不一定是开始。
4. 带有簇的mbuf总是包含缓存的起始地址（m_ext.ext_buf）以及缓存大小（m_ext.ext_size）。注意m_data和m_ext.ext_buf的不同含义，m_data是指向缓存数据的起始地址，m_ext.ext_buf是指向缓存（簇）的起始地址，只有当m_data也只指向缓存（簇）的第一个字节时，两者的值是一样的。
5. 指针m_next是把多个mbuf链接在一起，把一个分组形成一条mbuf链表。指针m_nextpkt把多个分组链接成一个mbuf队列。在队列中的每个分组可以是一个单独的mbuf，也可以是一个mbuf链表。每个分组的第一个mbuf包含一个分组首部。如果分组是一个mbuf链表，只有第一个mbuf的m_nextpktp被使用，其它mbuf的m_nextpkt为空指针。
上图是包含两个分组的mbuf队列，第一个分组UDP数据报已经放到接口输出队列中（14字节的以太网商务部已经添加到链表中第一个mbuf的IP首部前面）；第二个分组TCP报文段（1460字节数据）也被添加到队列中，TCP数据包含在一个簇中，并且第一个mbuf中包含了以太网、IP与TCP首部，在这个簇中可以看到指向簇中缓存数据的指针m_data并没有指向簇的起始位置（注意理解）。
上图所示的是m_flags的五个独立的值。M_EXT和M_PKTHDR前文已经介绍过，如果数据流有记录边界，那么对于记录尾的mbuf其m_flags应该设置M_EOR，TCP从来不需要设置，因为它提供的是无记录边界的字节流服务。OSI和XNS运输层要使用到这个标志。M_BCAST和M_MCAST主要用于链接层广播或者多播数据的接收和发送。
m_type指示存储在mbuf中的数据类型。mbuf除了可以存放要发送或者接收的用户数据，还可以存储各种不同类型的数据结构，具体如上图所示。
