【Linux 内核网络协议栈源码剖析】sendto 函数剖析

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前面介绍的函数基本上都是TCP协议的，如listen，connect，accept 等函数，这都是为可靠传输协议TCP定制的。对于另一个不可靠udp协议（通信系统其可靠性交由上层应用层负责），则主要由两个函数完成，sendto 和 recvfrom 函数。这里先介绍 sendto 函数。

说明：sendto 和 recvfrom 函数不限于udp协议，这里只是udp协议当中是采用这两个函数实现的，所以就放在udp协议中介绍。

对于 udp 协议的介绍和编程实现请参考下文：UDP 客户/服务器简单 Socket 程序

简要介绍下UDP数据报格式，相比TCP数据报格式，实在是简洁不少。

                                  

上面的各个字段含义一目了然（上面是16是表示该字段占16bit，udp头部占8字节），其中长度指的是此 UDP 数据报的长度（包括 UDP 数据报头部和 “数据” 部分）。

一、应用层——sendto 函数

#include <sys/socket.h>ssize_t sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,           const struct sockaddr *to, socklen_t *addrlen);//若成功则返回写的字节数，出错则返回-1/*参数解析前面三个参数分别表示：套接字描述符，指向写出缓冲区的指针和写字节数。to：指向一个含有数据报接收者的协议地址（如IP地址和端口号）的套接字地址结构，其大小由addrlen参数指定*/

该函数的作用是：向指定端口发送给定地址中的指定大小数据（如客户端sockfd，向 to 指定的远端套接字发送buff 缓冲区内nbytes 个字节数据）

二、BSD Socket层——sock_sendto 函数

/* *Send a datagram to a given address. We move the address into kernel *space and check the user space data area is readable before invoking *the protocol. *///发送数据给指定的远端地址，主要用于UDP协议//前面三个参数分别表示套接口描述字、指向缓冲区的指针和读写字节数//addr指向一个含有数据包接收者的协议地址(含ip地址和端口号)的套接口地址结构//其大小由addr_len参数指定//该函数的作用就是向指定地址的远端发送数据包：将buff缓冲区中len大小的数据发送给addr指定的远端套接字static int sock_sendto(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,   struct sockaddr *addr, int addr_len){struct socket *sock;struct file *file;char address[MAX_SOCK_ADDR];int err;//参数有效性检查if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))return(-EBADF);//找到给定文件描述符对应的socket结构if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL)))return(-ENOTSOCK);if(len<0)return -EINVAL;//检查权限，buff中len个字节区域是否可读err=verify_area(VERIFY_READ,buff,len);if(err)  return err;  //从addr拷贝addr_len大小的数据到addressif((err=move_addr_to_kernel(addr,addr_len,address))<0)  return err;    //调用下层函数sendto,inet域为inet_sendto函数return(sock->ops->sendto(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),flags, (struct sockaddr *)address, addr_len));}

三、INET Socket层——inet_sendto 函数

 //INET socket层static int inet_sendto(struct socket *sock, void *ubuf, int size, int noblock,     unsigned flags, struct sockaddr *sin, int addr_len){    //得到socket对应的sock结构struct sock *sk = (struct sock *) sock->data;//判断该套接字的有效性，是否处于关闭状态(半关闭)if (sk->shutdown & SEND_SHUTDOWN) {send_sig(SIGPIPE, current, 1);return(-EPIPE);}if (sk->prot->sendto == NULL) return(-EOPNOTSUPP);if(sk->err)return inet_error(sk);/* We may need to bind the socket. *///自动绑定一个本地端口号if(inet_autobind(sk)!=0)return -EAGAIN;//调用下层传输层函数udp_sendto函数return(sk->prot->sendto(sk, (unsigned char *) ubuf, size, noblock, flags,    (struct sockaddr_in *)sin, addr_len));}

四、传输层

udp_sento 函数

static int udp_sendto(struct sock *sk, unsigned char *from, int len, int noblock,   unsigned flags, struct sockaddr_in *usin, int addr_len){struct sockaddr_in sin;int tmp;/*  *Check the flags. We support no flags for UDP sending */ //udp除了MSG_DONTROUTE外，不支持任何其他标志位if (flags&~MSG_DONTROUTE)   return(-EINVAL);/* *Get and verify the address.  *///对远端地址的合法性检查，由于不涉及网络数据传送，所以无法验证这个地址存在性if (usin) {//如果明确指定远端地址，就直接检查该地址的有效性if (addr_len < sizeof(sin)) //大小return(-EINVAL);memcpy(&sin,usin,sizeof(sin));if (sin.sin_family && sin.sin_family != AF_INET) //本地地址有效性return(-EINVAL);if (sin.sin_port == 0) //端口号有效性return(-EINVAL);} else {//如果没有明确指定远端地址，则检查之前是否调用了connect函数进行了地址绑定if (sk->state != TCP_ESTABLISHED) return(-EINVAL);//如果进行了绑定，则将远端地址设置为这个绑定的地址sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_port = sk->dummy_th.dest;sin.sin_addr.s_addr = sk->daddr;  }    /*   *BSD socket semantics. You must set SO_BROADCAST to permit   *broadcasting of data.   */  //处理尚未指定本地地址的情况  if(sin.sin_addr.s_addr==INADDR_ANY)  sin.sin_addr.s_addr=ip_my_addr();//处理广播的情况  if(!sk->broadcast && ip_chk_addr(sin.sin_addr.s_addr)==IS_BROADCAST)    return -EACCES;/* Must turn broadcast on first */sk->inuse = 1;//加锁/* Send the packet. *///转调用udp_send函数tmp = udp_send(sk, &sin, from, len, flags);/* The datagram has been sent off.  Release the socket. *///数据包以发送，释放该套接字，前面介绍到这个函数的两个功能//取决于sk_dead字段是否设置release_sock(sk);return(tmp);}

udp_send 函数

 //根据被调用出清楚参数情况static int udp_send(struct sock *sk, struct sockaddr_in *sin, unsigned char *from, int len, int rt){struct sk_buff *skb;struct device *dev;struct udphdr *uh;unsigned char *buff;unsigned long saddr;int size, tmp;int ttl;  /*  *Allocate an sk_buff copy of the packet. *///计算所需要分配的封装数据的缓冲区大小 size = sk->prot->max_header + len;//分配指定大小的sk_buff 结构用于封装数据skb = sock_alloc_send_skb(sk, size, 0, &tmp);if (skb == NULL) return tmp;skb->sk       = NULL;/* to avoid changing sk->saddr */skb->free     = 1;//发送完后数据包立即释放，udp不提供超时重传skb->localroute = sk->localroute|(rt&MSG_DONTROUTE);//指定路由类型/* *Now build the IP and MAC header.  */ buff = skb->data;//udp首部和有效负载saddr = sk->saddr;//本地地址dev = NULL;ttl = sk->ip_ttl;#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST//如果目的地址是多播，则设置TTL值为1，表示局限于本地网络，不可跨越路由器if (MULTICAST(sin->sin_addr.s_addr))ttl = sk->ip_mc_ttl;#endif//创建MAC首部和IP首部tmp = sk->prot->build_header(skb, saddr, sin->sin_addr.s_addr,&dev, IPPROTO_UDP, sk->opt, skb->mem_len,sk->ip_tos,ttl);skb->sk=sk;//关联/* So memory is freed correctly *//* *Unable to put a header on the packet. */     if (tmp < 0 ) //创建失败{sk->prot->wfree(sk, skb->mem_addr, skb->mem_len);return(tmp);  }  buff += tmp;//定位到udp首部位置saddr = skb->saddr; /*dev->pa_addr;*///数据报sk_buff中挂载的数据部分长度:下面注释，len是有效数据负载长度skb->len = tmp + sizeof(struct udphdr) + len;/* len + UDP + IP + MAC */skb->dev = dev;//网络接口设备/* *Fill in the UDP header.  *///udp首部字段的初始化uh = (struct udphdr *) buff;uh->len = htons(len + sizeof(struct udphdr));//长度字段uh->source = sk->dummy_th.source;//源端端口，sk中tcp首部字段uh->dest = sin->sin_port;//目的端口buff = (unsigned char *) (uh + 1);//定位到数据部分//MAC header | IP Header | UDP Header | Data//uh本身已经指向了udp首地址，uh+1，表示后移一个udp首部大小位置，定位到了数据负载/* *Copy the user data.  *///从from拷贝len大小的数据到buff，即把应用层中待发送的缓冲区的数据拷贝到数据包的数据负载中//然后通过数据包整体打包发送出去。//就好比货物搭上了货轮开往目的地，为啥不是火车呢，因为火车线路已经固定好了，只能这么走。memcpy_fromfs(buff, from, len);  /*   *Set up the UDP checksum.    */  //同tcp，这里进行udp校验和检查 udp_send_check(uh, saddr, sin->sin_addr.s_addr, skb->len - tmp, sk);/*  *Send the datagram to the interface.  */ udp_statistics.UdpOutDatagrams++;//调用ip_queue_xmit函数将数据包发往网络层模块处理。以下处理就和TCP协议一样了，二者的差异只在于传输层//该函数以及更下层数据传送前面已经介绍，sk->prot->queue_xmit(sk, dev, skb, 1);return(len);}

关于ip_queue_xmit 函数的介绍以及更下层的数据传送，参见博文：【Linux 内核网络协议栈源码剖析】数据包发送

可以看出，udp是一种无连接传输层协议，不像tcp那样需要服务器监听，也不必等待客户端与服务器建立连接后才能通信，效率优于tcp协议，但udp则不能保证数据传输的可靠性。
udp 的数据传输，实现并不像tcp那样要建立一条数据传输通道，而是直接创建套接字后，直接传送数据到给定的远端（提供远端地址），数据传送过程无超时重传和序列号校验工作，适用于数据传输的连续性比数据的完整性更重要的场合，允许数据在传输过程中有部分丢失，如IP电话、流媒体通信等。