2020-08-07

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在内核中为什么要有struct socket结构体呢？

struct socket结构体的作用是什么？

下面这个图，我觉得可以回答以上两个问题。

由这个图可知，内核中的进程可以通过使用struct socket结构体来访问linux内核中的网络系统中的传输层、网络层、数据链路层。也可以说struct socket是内核中的进程与内核中的网路系统的桥梁。

struct socket

{

socket_state state; // socket state

short type ; // socket type

unsigned long flags; // socket flags

struct fasync_struct *fasync_list;

wait_queue_head_t wait;

struct file *file;

struct sock *sock; // socket在网络层的表示；

const struct proto_ops *ops;

}

struct socket结构体的类型

enum sock_type

{

SOCK_STREAM = 1, // 用于与TCP层中的tcp协议数据的struct socket

SOCK_DGRAM = 2, //用于与TCP层中的udp协议数据的struct socket

SOCK_RAW = 3, // raw struct socket

SOCK_RDM = 4, //可靠传输消息的struct socket

SOCK_SEQPACKET = 5,// sequential packet socket

SOCK_DCCP = 6,

SOCK_PACKET = 10, //从dev level中获取数据包的socket

};

struct socket 中的flags字段取值：

#define SOCK_ASYNC_NOSPACE 0

#define SOCK_ASYNC_WAITDATA 1

#define SOCK_NOSPACE 2

#define SOCK_PASSCRED 3

#define SOCK_PASSSEC 4

我们知道在TCP层中使用两个协议：tcp协议和udp协议。而在将TCP层中的数据往下传输时，要使用网络层的协议，而网络层的协议很多，不同的网络使用不同的网络层协议。我们常用的因特网中，网络层使用的是IPV4和IPV6协议。

所以在内核中的进程在使用struct socket提取内核网络系统中的数据时，不光要指明struct socket的类型(用于说明是提取TCP层中tcp协议负载的数据，还是udp层负载的数据)，还要指明网络层的协议类型(网络层的协议用于负载TCP层中的数据)。

linux内核中的网络系统中的网络层的协议，在linux中被称为address family(地址簇，通常以AF_XXX表示）或protocol family(协议簇，通常以PF_XXX表示)。

1.创建一个struct socket结构体：

int sock_create(int family, int type, int protocol,

struct socket **res);

int sock_create_kern(int family, int type, int protocol,

struct socket **res);

EXPROT_SYMBOL(sock_create);

EXPROT_SYMBOL(sock_create_kern);

family : 指定协议簇的类型，其值为：PF_XXX或 AF_XXX

type : 指定要创建的struct socket结构体的类型；

protocol : 一般为0；

res : 中存放创建的struct socket结构体的地址；

int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res)

{

return __sock_create(current->nsproxy->net_ns, family, type, protocol, res, 0);

}

int sock_create_kern(int family, int type, int protocol, struct socket **res)

{

return __sock_create( &init_net, family, type, protocot, res, 1 );

}

如果在内核中创建struct socket时，推荐使用sock_create_kern()函数；

// 网络协议簇结构体

struct net_proto_family

{

int family ; // 协议簇

int (*create)(struct net *net, struct socket *sock, int protocol);

struct module *owner;

};

内核中的所有的网络协议的响应的网络协议簇结构体都存放在 net_families[]指针数组中；

static struct net_proto_family *net_families[NPROTO];

static int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol,

struct socket **res, int kern )

{

struct socket *sock;

struct net_proto_family *pf;

sock = sock_alloc();//分配一个struct socket 结构体

sock->type = type;

pf = rcu_dereference(net_families[family]); //获取相应的网络协议簇结构体的地址；

pf->create(net, sock, protocol); // 对struct socket结构体做相应的处理；

*res = sock; // res中保存创建的struct socket结构体的地址；

return 0;

}

struct socket_alloc

{

struct socket socket ;

struct inode vfs_node ;

}

static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode)

{

return &contain_of(inode, struct socket_alloc, vfs->node)->socket;

}

static struct socket *sock_alloc(void)

{

struct inode *inode;

struct socket *sock;

inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);//分配一个新的struct inode节点

sock = SOCKET_I(inode);

inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;//设置inode节点的权限

inode->i_uid = current_fsuid(); // 设置节点的UID

inode->i_gid = current_fsgid(); //设置节点的GID

return sock;

}

有以上的代码可知：linux内核在使用sock_create()、sock_create_kern()

进行struct socket结构体的创建时，其本质是分配了一个struct socket_alloc

结构体，而这个struct socket_alloc结构体中包含了struct socket 和struct

inode(struct inode结构体，是linux内核用来刻画一个存放在内存中的文件的，通过将struct inode 和 struct socket绑定在一起形成struct socket_alloc结构体，来表示内核中的网络文件)。然后对分配的struct socket结构体进行初始化，来定义内核中的网络文件的类型(family, type, protocol).

在linux网络系统中还有两个非常重要的套接字地址结构体：

struct sockaddr_in

struct sockaddr;

typedef unsigned short sa_family_t;

// Internet Address

struct in_addr{

__b32 s_addr;

}

//struct describing an Internet socket address

//sockaddr_in 中存放端口号、网路层中的协议类型(ipv4,ipv6)等，网络层的IP地址；

struct sockaddr_in

{

sa_family_t sin_family ; // Address family AF_XXX

__be16 sin_port ; // 端口号

struct in_addr sin_addr ; // Internet Address

/*Pad to size of 'struct sockaddr'*/

...........

};

//套接字地址结构体。

struct sockaddr

{

sa_family_t sa_family; // 存放网络层所使用的协议类型(AF_XXX 或 PF_XXX);

char sa_data[14]; // 里面存放端口号、网络层地址等信息；

}

从本质上来说，struct sockaddr与struct sockaddr_in是相同的。

但在，实际的使用过程中，struct sockaddr_in是 Internet环境下的套接字地址形式，而struct sockaddr是通过的套接字地址个形式。在linux内核中struct sockaddr使用的更多，目的是使linux内核代码更为通用。

struct sockaddr_in 可以与 struct sockaddr 进行自由的转换。

2.将创建的套接字(struct socket)与套接字地址结构体(struct sockaddr or struct sockaddr_in)进行绑定：

int kernel_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *addr,

int addrlen)

EXPROT_SYMBOL(kernel_bind);

sock : 为通过sock_create()或sock_create_kern()创建的套接字；

addr : 为套接字地址结构体；

addrlen:为套接字地址结构体的大小；

3.将一个套接字(struct socket)设置为监听状态：

int kernel_listen(struct socket *sock, int backlog);

backlog :一般情况下设置为0；

EXPORT_SYMBOL(kernel_listen);

4.当把一个套接字设置为监听状态以后，使用这个套接字去监听其它的套接字；

int kernel_accept(struct socket *sock, struct socket **new_sock,

int flags);

EXPORT_SYMBOL(kernel_accept);

sock : listening socket 处于监听状态的套接字；

new_sock : 被监听的套接字；

flags: struct socket中的flags字段的取值；

5.把一个套接字连接到另一个套接字地址结构体上：

int kernel_connect(struc socket *sock, struct sockaddr *addr,

int addrlen, int flags);

EXPORT_SYMBOL(kernel_connect);

sock : struct socket;

addr : 为另一个新的套接字地址结构体；

addrlen : 套接字地址结构体的大小；

flags :file-related flags associated with socket

6.把一个应用层中的数据发送给另一个设备中的进程：

int kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,

struct kvec *vec, size_t num, size_t size)

EXPORT_SYMBOL(kernel_sendmsg);

sock : 为当前进程中的struct socket套接字；

msg : 用于接收来自应用层的数据包；

kvec : 中存放将要发送出去的数据；

num : 见代码；

size : 为将要发送的数据的长度；

struct iovec

{

void __user *iov_base;

__kernel_size_t iov_len;

}

struct msghdr

{

//用于存放目的进程所使用的套接字地址

void *msg_name; // 用于存放目的进程的struct sockaddr_in

int msg_namelen; // 目的进程的sizeof(struct sockaddr_in)

//用于来自应用层的数据

struct iovec *msg_iov ;// 指向一个struct iovec的数组，数组中的每个成员表示一个数据块

__kernel_size_t msg_iovlen ; //数据块数，即struct iovec数组的大小

//用于存放一些控制信息

void *msg_control ;

__kernel_size_t msg_controllen; //控制信息的长度；

//

int msg_flags;

}

struct kvec

{

void *iov_base; //用于存放来自应用层的数据；

size_t iov_len; //来自应用层的数据的长度；

}

struct msghdr中的flags字段的取值为：

int kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,

struct kvec *vec, size_t num, size_t size)函数的实现为：

有kernel_sendmsg()的实现代码可知，struct kvec中的数据部分最终还是要放到struct msghdr之中去的。

kernel_sendmsg()的用法：

也可以使用下面这个函数来实现相同的功能：

int sock_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,

size_t size);

EXPORT_SYMBOL(sock_sendmsg);

7.接受来自另一个网络进程中的数据：

int kernel_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,

struct kvec *vec, size_t num, size_t size, int flags)

EXPORT_SYMBOL(kernel_recvmsg);

sock : 为接受进程的套接字；

msg : 用于存放接受到的数据；

vec : 用于指向本地进程中的缓存区；

num : 为数据块的块数；

size : 缓存区的大小；

flags: struct msghdr中的flags字段中的取值范围；

int kernel_recvmsg()的实现：

kernel_recvmsg()的用法：

8.关闭一个套接字：

void sock_release(struct socket *sock);

用于关闭一个套接字，并且如果一个它struct socket绑定到了一个struct

inode节点上的话，相应的struct inode也会被释放。

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