Linux网络协议栈基础

一 套接字
    1、BSD套接字
套接口是连接应用层与传输层的桥梁，也因此可以将套接口细分为两层：应用交互层，传输交互层。
    struct socket结构是协议无关接口，主要与应用层进行交互，它代表一条通信链路的一端。

 

                            图1 struct socket

    file指针：是socket与进程之间的连接，进程通过socket描述符（就是文件描述符）来定位特定的socket。下图是涉及file和socket的主要结构体之间的关系图：

 

图2 file socket 关系图

    其中sock对应于传输控制块，在socket的实例中会根据协议族和传输层协议的特点，分层次地定义多个结构，以TCP为例，tcp_sock结构是在inet_sock结构基础上构成的，而inet_sock结构又是在sock结构基础上构成的。
    需要注意的是，file结构体是在socket_open的时候创建的，同时会将file中的private_data赋值为socket结构体。private_data是一个void*指针，在设备驱动中被广发应用，能灵活的指向自定义的结构体。详见sock_attack_fd()函数。
套接口类型：SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, SOCK_RAW, SOCK_RDM, SOCK_SEQPACKET, SOCK_DCCP, SOCK_PACKET；注意，这些套接口类型并未与任何的传输层协议相关联，包括proto_ops的三种结构实例：inet_stream_ops, inet_dgram_ops, inet_sockraw_ops也都是协议无关的。socket通过成员结构sock来实现与传输层的连接。
而对于传输层协议，需要一个inet_protosw结构实现proto_ops实例与proto结构实例的关联。inet_protosw结构实例定义在静态数组inetsw_array[]中，在系统初始化的网络子系统初始化时，注册到数组inetsw[]中。
创建套接口时，根据套接口的类型在inetsw中寻找匹配的inet_protosw结构，初始化socket中的proto_ops成员。需要注意的是，这是对于Internet协议族而说，因为inet_protosw是PF_INET协议族对应传输层协议的结构。
2、套接字缓存
网络子系统中用来存储数据的缓冲区叫做套接字缓存，简称SKB。该缓存：（1）能够处理可变长数据，（2）能够很容易地在数据区头尾部添加和移除数据，（3）能尽量避免数据的复制。
套接字缓存与传输控制块struct sock实例直接关联，sock结构中包含：sk_receive_queue和sk_write_queue；它们分别是接收缓存队列和发送缓存队列的链表头。
二 Internet协议族
    Linux协议族的命名方式为：PF_XXX，比如PF_INET代表了Internet协议族。内核中，每个协议族用一个net_proto_family结构实例来表示，在系统初始化时，调用sock_register将结构注册到全局数组net_familly[NPROTO]中。数组长度为41（最新版本），Linux内核集成了40种标准协议，空余的1项（28）可用于自定义协议族。
1、net_proto_family
    不同的协议族，传输层的结构和实现有着很大的不同，各自的套接口创建函数也不同，create()方法正是net_proto_family结构中最关键的成员函数；
网络系统的初始化阶段，可以统一调用sock_register()将特定的net_proto_family 注册到net_familes数组中。在net_proto_family结构中提供了协议族套接口创建的接口。

 

图3

    也就是说，如果一个通信协议需要特殊的套接口结构的话，那么就应该归为特殊的协议族。PF_RING在内核中创建了新的套接口结构，也同时需要创建新的协议族——PF_RING。从命名上来看，PF_RING就是协议族RING.
2、inet_protosw
    结构主要成员有：type，struct proto* prot，struct proto_ops *ops；
    其中type标识了套接口的类型，对于Internet协议族共有三种类型SOCK_STREAM，SOCK_DGRAM，SOCK_RAW。对应于socket系统调用中的type参数。
    prot是套接口网络层接口，会赋值给传输层模块struct sock实例的结构成员；
    ops是套接口传输层接口，会被赋值给struct socket的成员ops。
    inetsw_array是存储inet_protosw实例的数组，而inetsw是存储指向实例指针的散列表，通过调用inet_register_protosw()将inet_protosw实例注册到inetsw散列表中。
3、net_protocol
    这是一个与协议相关的结构，定义了协议族中支持的传输层协议以及传输层的报文接收历程。对应于socket系统调用中的protocol参数，是网络层与传输层之间的桥梁。
    内核中为Internet协议族定义了4个net_protocol结构实例：icmp_protocol, udp_protocol, tcp_protocol和igmp_protocol。在Internet协议族初始化时，调用inet_add_protocol()将它们注册到net_protocol结构指针数组inet_protos[MAX_INET_PROTOS]中。
    系统运行时，当有数据报文从网络层流向上层时，就可以通过其上层协议号，在inet_protos[]数组中找到对应的net_protocol结构实例，然后调用该结构中的传输层协议数据报接收处理函数。
4、协议初始化
1)    proto_register()
2)    sock_register()
3)    inet_add_protocol()
4)    inet_register_protosw()
总结：
    1、在进程中，通过socket系统调用建立所需的通信链路时，需要留意socket()的三个主要参数：
1)    参数family标识了通信链路所属的协议族，比如AF_INET指明是internet链路；
2)    参数type标识了通信链路所需的套接口类型，套接口是协议无关的，不同的协议族可以使用相同类型的套接口；Linux BSD主要支持一下几种套接字类型：SOCK_STREAM，SOCK_DGRAM，SOCK_RAW；SOCK_RAW是为底层协议或物理网络提供的套接字类型，可以看到原始IP数据流，PF_RING协议族只能使用该类型的套接字。
3)    参数protocol标识所使用的传输层协议，大多数情况并不需要特别说明，内核可以通过前两个参数得到匹配的protocol值，比如Internet协议族面向连接的传输层协议为TCP，继而创建传输层控制块（也就是特定协议套接字）struct sock实例，比如tcp_sock。
2、各数据结构间的接口

三 PF_RING协议族
    相关数据结构：
    1、ring_family_ops
    等同于Internet协议族中的inet_family_ops，内有成员函数指针ring_create，在创建PF_RING套接口时调用。
    使用Linux提供的sock_register()函数将PF_RING套接字协议族注册到系统的全局数组net_families[]中，在应用层调用socket系统调用时，能根据family，type参数在net_families[]找到ring_create()函数来创建PF_RING套接口。
    2、struct proto ring_proto
    在PF_RING协议中与网络层交互的接口，是struct ring_sock（也就是传输控制块）的结构成员，类似于tcp_sock中的tcp¬_prot。
    3、struct proto_ops ring_ops
    该结构为PF_RING协议族套接字操作集，是PF_RING套接字（BSD套接字也就是协议无关套接字）与传输控制块（即特定协议的套接字）ring_sock之间的接口，该操作集为BSD套接口提供服务，作为一个函数跳转表，最终会调用ring_sock中的ring_proto函数集中的相应函数。