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【Linux 内核网络协议栈源码剖析】socket 函数剖析

 深度剖析网络协议栈中的 socket 函数，可以说是把前面介绍的串联起来，将网络协议栈各层关联起来。

【Linux 内核网络协议栈源码剖析】socket 函数剖析

1、应用层——socket 函数

 为了执行网络I/O，一个进程必须做的第一件事就是调用socket函数，指定期望的通信协议类型。该函数只是作为一个简单的接口函数供用户调用，调用该函数后将进入内核栈进行系统调用sock_socket 函数。

#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol);
                            /*返回：非负描述字——成功， -1——出错
其中family参数指明协议族，type参数指明套接口类型，后面protocol通常设为0，以选择所给定family 和 type组合的系统缺省值*/

2、BSD Socket 层——sock_socket 函数

从应用层进入该函数是通过一个共同的入口函数 sys_socket

/*
 *	System call vectors. Since I (RIB) want to rewrite sockets as streams,
 *	we have this level of indirection. Not a lot of overhead, since more of
 *	the work is done via read/write/select directly.
 *
 *	I'm now expanding this up to a higher level to separate the assorted
 *	kernel/user space manipulations and global assumptions from the protocol
 *	layers proper - AC.
 */
//本函数是网络栈专用操作函数集的总入口函数，主要是将请求分配，调用具体的底层函数进行处理
asmlinkage int sys_socketcall(int call, unsigned long *args)
{
	int er;
	switch(call) 
	{
		case SYS_SOCKET://socket函数
			er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
			if(er)
				return er;
			return(sock_socket(get_fs_long(args+0),
				get_fs_long(args+1),//返回地址上的值
				get_fs_long(args+2)));//调用sock_socket函数
                  ……
}

下面就是sock_socket 函数主体

/*
 *	系统调用，创建套接字socket。涉及到sock结构的创建.
 */

static int sock_socket(int family, int type, int protocol)
{
	int i, fd;
	struct socket *sock;
	struct proto_ops *ops;

	/* 匹配应用程序调用socket()函数时指定的协议 */
	for (i = 0; i < NPROTO; ++i) 
	{
		if (pops[i] == NULL) continue;
		if (pops[i]->family == family) //设置域
			break;
	}
    //没有匹配的协议，则出错退出
	if (i == NPROTO) 
	{
  		return -EINVAL;
	}
	//根据family输入参数决定域操作函数集用于ops字段的赋值
	//操作函数集是跟域相关的，不同的域对应不同的操作函数集
	ops = pops[i];

/*
 *	Check that this is a type that we know how to manipulate and
 *	the protocol makes sense here. The family can still reject the
 *	protocol later.
 */
  //套接字类型检查
	if ((type != SOCK_STREAM && type != SOCK_DGRAM &&
		type != SOCK_SEQPACKET && type != SOCK_RAW &&
		type != SOCK_PACKET) || protocol < 0)
			return(-EINVAL);

/*
 *	Allocate the socket and allow the family to set things up. if
 *	the protocol is 0, the family is instructed to select an appropriate
 *	default.
 */
	//分配socket套接字结构
	if (!(sock = sock_alloc())) 
	{
		printk("NET: sock_socket: no more sockets\n");
		return(-ENOSR);	/* Was: EAGAIN, but we are out of
				   system resources! */
	}
	//指定对应类型，协议，以及操作函数集
	sock->type = type;
	sock->ops = ops;
	//分配下层sock结构，sock结构是比socket结构更底层的表示一个套接字的结构
	//前面博文有说明:http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/21740945
	//socket是通用的套接字结构体，而sock与具体使用的协议相关
	if ((i = sock->ops->create(sock, protocol)) < 0) //这里调用下层函数 create
	{
		sock_release(sock);//出错回滚销毁处理
		return(i);
	}
    //分配一个文件描述符并在后面返回给应用层序作为以后的操作句柄
	if ((fd = get_fd(SOCK_INODE(sock))) < 0) 
	{
		sock_release(sock);
		return(-EINVAL);
	}

	return(fd);//这个就是我们应用系统使用的套接字描述符
}

该要介绍的注释里，已经说明白了，可以看到，该函数又将调用下一层函数 create。（网络栈就是这样，上层调用下层函数）

sock_socket 函数内部还调用了一个函数 sock_alloc()，该函数主要是分配一个 socket 套接字结构（实际上找到一个空闲的inode结构，socket结构已经包含在inode结构中）

/*
 *	分配一个socket结构
 */
struct socket *sock_alloc(void)
{
	struct inode * inode;
	struct socket * sock;

	inode = get_empty_inode();//分配一个inode对象
	if (!inode)
		return NULL;
	//获得的inode结构的初始化
	inode->i_mode = S_IFSOCK;
	inode->i_sock = 1;
	inode->i_uid = current->uid;
	inode->i_gid = current->gid;
    //可以看出socket结构体的实体空间，就已经存在了inode结构中的union类型中，
    //所以无需单独的开辟空间分配一个socket 结构
	sock = &inode->u.socket_i;//这里把inode的union结构中的socket变量地址传给sock
	sock->state = SS_UNCONNECTED;
	sock->flags = 0;
	sock->ops = NULL;
	sock->data = NULL;
	sock->conn = NULL;
	sock->iconn = NULL;
	sock->next = NULL;
	sock->wait = &inode->i_wait;
	sock->inode = inode;//回绑
	sock->fasync_list = NULL;
	sockets_in_use++;//系统当前使用的套接字数量加1
	return sock;
}

3、INET Socket 层——inet_create 函数

/*
 *	Create an inet socket.
 *
 *	FIXME: Gcc would generate much better code if we set the parameters
 *	up in in-memory structure order. Gcc68K even more so
 */
 //该函数被上层sock_socket函数调用，用于创建一个socket套接字对应的sock结构并对其进行初始化
 //socket是通用结构，sock是具体到某种协议的结构
 //代码是一大串，功能就是建立套接字对应的sock结构并对其进行初始化
static int inet_create(struct socket *sock, int protocol)
{
	struct sock *sk;
	struct proto *prot;
	int err;
    //分配一个sock结构，内存分配一个实体
	sk = (struct sock *) kmalloc(sizeof(*sk), GFP_KERNEL);
	if (sk == NULL) 
		return(-ENOBUFS);
	sk->num = 0;//本地端口号
	sk->reuse = 0;
	//根据类型进行相关字段的赋值
	//关于哪种类型与协议的对应关系，请参考<UNP 卷1>，有些类型就只能和某种协议对应
	switch(sock->type) 
	{
		case SOCK_STREAM:
		case SOCK_SEQPACKET:
			if (protocol && protocol != IPPROTO_TCP) 
			{
				kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
				return(-EPROTONOSUPPORT);
			}
			protocol = IPPROTO_TCP;//tcp协议
			sk->no_check = TCP_NO_CHECK;
			//这个prot变量表明了套接字使用的是何种协议
			//然后使用的则是对应协议的操作函数
			prot = &tcp_prot;
			break;

		case SOCK_DGRAM:
			if (protocol && protocol != IPPROTO_UDP) 
			{
				kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
				return(-EPROTONOSUPPORT);
			}
			protocol = IPPROTO_UDP;//udp协议
			sk->no_check = UDP_NO_CHECK;//不使用校验
			prot=&udp_prot;
			break;
      
		case SOCK_RAW:
			if (!suser()) //超级用户才能处理
			{
				kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
				return(-EPERM);
			}
			if (!protocol)// 原始套接字类型，这里表示端口号
			{
				kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
				return(-EPROTONOSUPPORT);
			}
			prot = &raw_prot;
			sk->reuse = 1;
			sk->no_check = 0;	/*
						 * Doesn't matter no checksum is
						 * performed anyway.
						 */
			sk->num = protocol;//本地端口号
			break;

		case SOCK_PACKET:
			if (!suser()) 
			{
				kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
				return(-EPERM);
			}
			if (!protocol) 
			{
				kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
				return(-EPROTONOSUPPORT);
			}
			prot = &packet_prot;
			sk->reuse = 1;
			sk->no_check = 0;	/* Doesn't matter no checksum is
						 * performed anyway.
						 */
			sk->num = protocol;
			break;

		default://不符合以上任何类型，则返回
			kfree_s((void *)sk, sizeof(*sk));
			return(-ESOCKTNOSUPPORT);
	}
	sk->socket = sock;//建立与其对应的socket之间的关系
#ifdef CONFIG_TCP_NAGLE_OFF
	sk->nonagle = 1;//如果定义了Nagle算法
#else    
	sk->nonagle = 0;
#endif  
	//各种初始化
	//这里是sock结构
	sk->type = sock->type;
	sk->stamp.tv_sec=0;
	sk->protocol = protocol;
	sk->wmem_alloc = 0;
	sk->rmem_alloc = 0;
	sk->sndbuf = SK_WMEM_MAX;
	sk->rcvbuf = SK_RMEM_MAX;
	sk->pair = NULL;
	sk->opt = NULL;
	sk->write_seq = 0;
	sk->acked_seq = 0;
	sk->copied_seq = 0;
	sk->fin_seq = 0;
	sk->urg_seq = 0;
	sk->urg_data = 0;
	sk->proc = 0;
	sk->rtt = 0;				/*TCP_WRITE_TIME << 3;*/
	sk->rto = TCP_TIMEOUT_INIT;		/*TCP_WRITE_TIME*/
	sk->mdev = 0;
	sk->backoff = 0;
	sk->packets_out = 0;
	sk->cong_window = 1; /* start with only sending one packet at a time. */
	sk->cong_count = 0;
	sk->ssthresh = 0;
	sk->max_window = 0;
	sk->urginline = 0;
	sk->intr = 0;
	sk->linger = 0;
	sk->destroy = 0;
	sk->priority = 1;
	sk->shutdown = 0;
	sk->keepopen = 0;
	sk->zapped = 0;
	sk->done = 0;
	sk->ack_backlog = 0;
	sk->window = 0;
	sk->bytes_rcv = 0;
	sk->state = TCP_CLOSE;
	sk->dead = 0;
	sk->ack_timed = 0;
	sk->partial = NULL;
	sk->user_mss = 0;
	sk->debug = 0;

	/* this is how many unacked bytes we will accept for this socket.  */
	sk->max_unacked = 2048; /* needs to be at most 2 full packets. */

	/* how many packets we should send before forcing an ack. 
	   if this is set to zero it is the same as sk->delay_acks = 0 */
	sk->max_ack_backlog = 0;
	sk->inuse = 0;
	sk->delay_acks = 0;
	skb_queue_head_init(&sk->write_queue);
	skb_queue_head_init(&sk->receive_queue);
	sk->mtu = 576;//最大传输单元
	sk->prot = prot;
	sk->sleep = sock->wait;
	sk->daddr = 0;//远端地址
	sk->saddr = 0 /* 本地地址 */;
	sk->err = 0;
	sk->next = NULL;
	sk->pair = NULL;
	sk->send_tail = NULL;
	sk->send_head = NULL;
	sk->timeout = 0;
	sk->broadcast = 0;
	sk->localroute = 0;
	init_timer(&sk->timer);
	init_timer(&sk->retransmit_timer);
	sk->timer.data = (unsigned long)sk;
	sk->timer.function = &net_timer;
	skb_queue_head_init(&sk->back_log);
	sk->blog = 0;
	sock->data =(void *) sk;

	//下面是sock结构中tcp首部初始化
	sk->dummy_th.doff = sizeof(sk->dummy_th)/4;
	sk->dummy_th.res1=0;
	sk->dummy_th.res2=0;
	sk->dummy_th.urg_ptr = 0;
	sk->dummy_th.fin = 0;
	sk->dummy_th.syn = 0;
	sk->dummy_th.rst = 0;
	sk->dummy_th.psh = 0;
	sk->dummy_th.ack = 0;
	sk->dummy_th.urg = 0;
	sk->dummy_th.dest = 0;
	//ip部分
	sk->ip_tos=0;
	sk->ip_ttl=64;
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
	sk->ip_mc_loop=1;
	sk->ip_mc_ttl=1;
	*sk->ip_mc_name=0;
	sk->ip_mc_list=NULL;
#endif
  	
	sk->state_change = def_callback1;
	sk->data_ready = def_callback2;
	sk->write_space = def_callback3;
	sk->error_report = def_callback1;

	if (sk->num) //如果分配了本地端口号
	{
	/*
	 * It assumes that any protocol which allows
	 * the user to assign a number at socket
	 * creation time automatically
	 * shares.
	 */
	 //将具有确定端口号的新sock结构加入到sock_array数组表示的sock结构链表中
		put_sock(sk->num, sk);//实际上这里确定的端口号一般为初始化0
		sk->dummy_th.source = ntohs(sk->num);//tcp首部源端地址，就是端口号
		//这里需要进行字节序转换，网络字节序转主机字节序
	}

	if (sk->prot->init) //根据不同协议类型，调用对应init函数
	{
		err = sk->prot->init(sk);//调用相对应4层协议的初始化函数
		if (err != 0) 
		{
			destroy_sock(sk);//出错了，就销毁
			return(err);
		}
	}
	return(0);
}

到这里一个 socket 套接字就创建完成了

可以看出socket 套接字的创建过程为：socket() -> sock_socket() -> inet_create() 

我们简单的总结一下这几个函数的功能：

sock_socket() 内部的主要结构是 socket 结构体，其主要负责socket 结构体的创建（sock_alloc()）和初始化，以及指定socket套接字的类型和操作函数集，然后分配一个文件描述符作为socket套接字的操作句柄，该描述符就是我们常说的套接字描述符。socket 的创建主要是分配一个inode 对象来说实现的。inode 对面内部有一个 union 类型变量，里面包含了各种类型的结构体，这里采用的 socket 类型，然后二者建立关联，inode中的union采用socket，socket结构中的inode指针指向该inode对象。

inet_create() 内部的主要结构是 sock 结构体，sock 结构体比socket 结构更显复杂，其使用范围也更为广泛，socket 结构体是一个通用的结构，不涉及到具体的协议，而sock 结构则与具体的协议挂钩，属于具体层面上的一个结构。inet_create 函数的主要功能则是创建一个 sock 结构（kmalloc()）然后根据上层传值下来的协议（通常是类型与地址族组合成成对应的协议）进行初始化。最后将创建好的 sock 结构插入到 sock 表中。

网络栈的更下层用到的套接字就是 sock 结构体，在inet_create 函数中sock 套接字已经创建且初始化，socket() 至此完成。

有了源码，更清楚的了解到socket 函数的功能：创建套接字（sock struct），指定期望的通信协议类型。

到了这一步，套接字拥有自己的实体部分，指定了通信协议类型，但是既没有绑定本地地址信息（ip地址和端口号），也不知道对端的地址信息。

tcp/ip OpenSource 计算机网络(网络协议栈源码剖析) socket 网络协议 内核 网络
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