socket函数的domain、type、protocol解析

来源：互联网发布：java 短链接编辑：程序博客网时间：2024/05/23 15:07

socket函数的domain、type、protocol解析

lxg@2015-04-09

内核中的socket概览
图一：socket概览

内核中套接字是一层一层进行抽象展示的，把共性的东西抽取出来，这样对外提供的接口可以尽量的统一。内核中把套接字的定义会抽象出来展示，如struct sock->struct inet_sock->struct tcp_sock从抽象到具体。还会把套接字的操作也会抽象，下面我们会提到怎么进行抽象展示的。

Socket函数中的三个参数其实就是把抽象的socket具体化的条件，domain参数决定了图中所示的第二层通信域，type决定了第三层的通信模式，protocol决定了第四层真正的通信协议。

Domain参数

Domain参数指定了通信的”域”(在后文中会用family替代domain)，我们是在IPv4还是IPv6这个范围内通信，也就决定了我们通信的地址是IPv4格式还是IPv6格式。通常可选的定义如下：

名称

目的

AF_UNIX, AF_LOCAL

本地通信

AF_INET

IPv4网络通信

AF_INET6

IPv6网络通信

AF_PACKET

链路层通信

在Linux系统中AF_*和PF_*是等价的。

在内核源码中net目录下面有Af_开头的一系列文件(如:Af_inet.c、Af_inet6.c、Af_unix.c等)，每一个文件分别代表了一种协议族。

在Net.h中定义了一个结构体：

//net_proto_family结构体定义了每一个协议族的新建socket句柄

struct net_proto_family {

int family;

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

int protocol,int kern);

struct module *owner;

};

//Af_inet.c中的PF_INET domain的定义

staticconststruct net_proto_family inet_family_ops ={

.family= PF_INET,

.create= inet_create,

.owner = THIS_MODULE,

};

在协议栈初始化的通过sock_register(conststruct net_proto_family *ops)(socket.c)函数把协议栈支持的协议族family加入net_families数组中。

当我们通过socket系统调用创建套接字的时候流程走到__sock_create函数(SYSCALL_DEFINE3->sock_create->__sock_create)的时候根据family在net_families数组中取得对应协议族的create句柄，所以对于PF_INET协议族的套接字就是调用inet_create来新建socket。

通过上面分析可知family这个参数决定了调用哪个协议族create函数来新建socket，说得可能不准确点就是决定了你使用net/目录下面的哪个Af_*.c文件中的函数。

Type参数

Type就是socket的类型，对于AF_INET协议族而言有流套接字(SOCK_STREAM)、数据包套接字(SOCK_DGRAM)、原始套接字(SOCK_RAW)。

/**

* enum sock_type - Socket types

* @SOCK_STREAM: stream (connection) socket

* @SOCK_DGRAM: datagram (conn.less) socket

* @SOCK_RAW: raw socket

* @SOCK_RDM: reliably-delivered message

* @SOCK_SEQPACKET: sequential packet socket

* @SOCK_DCCP: Datagram Congestion Control Protocol socket

* @SOCK_PACKET: linux specific way of getting packets at the dev level.

* For writing rarp and other similar things on the user level.

enum sock_type {

SOCK_STREAM =1,

SOCK_DGRAM =2,

SOCK_RAW =3,

SOCK_RDM =4,

SOCK_SEQPACKET =5,

SOCK_DCCP =6,

SOCK_PACKET =10,

};

在内核协议栈中有一个很重要的结构体，定义了每一个协议族中套接字在传输层的操作集合。PS：这里我理解传输层包括了套接字类型(STREAM,DGRAM)和具体的传输层协议(TCP,UDP)

/* This is used to register socket interfaces for IP protocols. */

struct inet_protosw {

struct list_head list;

/* These two fields form the lookup key. */

unsignedshort type; /* This is the 2nd argument to socket(2). */

unsignedshort protocol;/* This is the L4 protocol number. */

struct proto *prot;

conststruct proto_ops *ops;

unsignedchar flags; /* See INET_PROTOSW_* below. */

};

struct proto_ops结构体定义了每一种套接字类型(SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW)的操作集合，在Af_inet.c中分别定义了inet_stream_ops、inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops这三种类型的proto_ops：

conststruct proto_ops inet_stream_ops ={

.family = PF_INET,

.owner = THIS_MODULE,

.release = inet_release,

.bind = inet_bind,

.connect = inet_stream_connect,

.socketpair = sock_no_socketpair,

.accept = inet_accept,

.getname = inet_getname,

.poll = tcp_poll,

.ioctl = inet_ioctl,

.listen = inet_listen,

.shutdown = inet_shutdown,

.setsockopt = sock_common_setsockopt,

.getsockopt = sock_common_getsockopt,

.sendmsg = inet_sendmsg,

.recvmsg = inet_recvmsg,

.mmap = sock_no_mmap,

.sendpage = inet_sendpage,

.splice_read = tcp_splice_read,

#ifdef CONFIG_COMPAT

.compat_setsockopt= compat_sock_common_setsockopt,

.compat_getsockopt= compat_sock_common_getsockopt,

.compat_ioctl = inet_compat_ioctl,

#endif

};

我们新建socket的时候指定了type为SOCK_STREAM那么在后面的套接字操作中(如connect)会调用对应的inet_stream_ops中对应的函数(如inet_stream_connect)。

图2：inetsw、inet_protosw、proto_ops、proto的关系图

Protocol参数

上文中我们通过family和type已经基本确定了新建的socket具体是什么类型的套接字，最后一步通过protocol来确定socket到底支持的哪个协议(TCP?UDP?)。

在inet_protosw结构体中我们已经解释过proto_ops对应的是每一种套接字类型的操作集合，那么可知structproto对应的就是具体协议的操作集合。在Tcp_ipv4.c中定义TCP协议的struct proto tcp_prot：

struct proto tcp_prot ={

.name ="TCP",

.owner = THIS_MODULE,

.close = tcp_close,

.connect = tcp_v4_connect,

.disconnect = tcp_disconnect,

.accept = inet_csk_accept,

.ioctl = tcp_ioctl,

.init = tcp_v4_init_sock,

.destroy = tcp_v4_destroy_sock,

.shutdown = tcp_shutdown,

.setsockopt = tcp_setsockopt,

.getsockopt = tcp_getsockopt,

.recvmsg = tcp_recvmsg,

.sendmsg = tcp_sendmsg,

.sendpage = tcp_sendpage,

.backlog_rcv = tcp_v4_do_rcv,

.release_cb = tcp_release_cb,

.hash = inet_hash,

.unhash = inet_unhash,

.get_port = inet_csk_get_port,

.enter_memory_pressure = tcp_enter_memory_pressure,

.stream_memory_free= tcp_stream_memory_free,

.sockets_allocated =&tcp_sockets_allocated,

.orphan_count =&tcp_orphan_count,

.memory_allocated =&tcp_memory_allocated,

.memory_pressure =&tcp_memory_pressure,

.sysctl_mem = sysctl_tcp_mem,

.sysctl_wmem = sysctl_tcp_wmem,

.sysctl_rmem = sysctl_tcp_rmem,

.max_header = MAX_TCP_HEADER,

.obj_size =sizeof(struct tcp_sock),

.slab_flags = SLAB_DESTROY_BY_RCU,

.twsk_prot =&tcp_timewait_sock_ops,

.rsk_prot =&tcp_request_sock_ops,

.h.hashinfo =&tcp_hashinfo,

.no_autobind = true,

#ifdef CONFIG_COMPAT

.compat_setsockopt = compat_tcp_setsockopt,

.compat_getsockopt = compat_tcp_getsockopt,

#endif

#ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM

.init_cgroup = tcp_init_cgroup,

.destroy_cgroup = tcp_destroy_cgroup,

.proto_cgroup = tcp_proto_cgroup,

#endif

};

所以对于TCP socket当执行connect连接的时候经过的流程大致是SYSCALL_DEFINE3 connect(系统调用)->inet_stream_connect(inet_stream_ops中定义)-> tcp_v4_connect(tcp_prot中定义)。

Family&type&protocol结合

上面分别说明了family、type、protocol这三个参数代表的意义，接下来我们把这三个参数结合起来一起看一下最后的效果。

structinet_protosw结构体在内核中是如何初始化的呢？

/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into

* the linked list inetsw.

staticstruct inet_protosw inetsw_array[]=

{

.type= SOCK_STREAM,

.protocol= IPPROTO_TCP,

.prot= &tcp_prot,

.ops= &inet_stream_ops,

.flags= INET_PROTOSW_PERMANENT |

INET_PROTOSW_ICSK,

{

.type= SOCK_DGRAM,

.protocol= IPPROTO_UDP,

.prot= &udp_prot,

.ops= &inet_dgram_ops,

.flags= INET_PROTOSW_PERMANENT,

{

.type= SOCK_DGRAM,

.protocol= IPPROTO_ICMP,

.prot= &ping_prot,

.ops= &inet_dgram_ops,

.flags= INET_PROTOSW_REUSE,

{

.type= SOCK_RAW,

.protocol= IPPROTO_IP, /* wild card */

.prot= &raw_prot,

.ops= &inet_sockraw_ops,

.flags= INET_PROTOSW_REUSE,

}

};

在Af_inet.c中定义了PF_INET协议族的四个初始化的inet_protosw结构体，在内核协议栈初始化的时候通过inet_register_protosw函数将这些结构体按照类型(type)hash到全局的inetsw数组中。

图3：socket调用流程

上面是socket系统调用的一个主要的流程图，左半部分在前文中已经提到过了。当流程走到inet_create函数的时候根据type去inetsw数组中找到对应类型套接字的inet_protosw结构体，我们前面提到协议栈中已经定义了PF_INET协议族支持的inet_protosw结构体，总共有4个。

找到inet_protosw结构体以后还需要进一步判断protocol和inet_protosw中定义的protocol是否是一致的。内核中定义支持的protocol有一个特殊的值IPPROTO_IP(IPPROTO_IP为0)，可以理解为一个通配符也可以理解为一个默认值，就是说我不指定protocol，由内核自己决定使用哪一个protocol。

那么内核根据什么来选择protocol呢?就是根据内核定义的全局inetsw中对应类型的inet_protosw中的protocol。

说起来可能比较拗口，直接看一下代码就很清楚了。

list_for_each_entry_rcu(answer,&inetsw[sock->type], list){

err =0;

/* Check the non-wild match. */

if(protocol== answer->protocol){

if(protocol!= IPPROTO_IP)

break;

}else{

/* Check for the two wild cases. */

if(IPPROTO_IP== protocol){

protocol = answer->protocol;

break;

}

if(IPPROTO_IP== answer->protocol)

break;

}

err =-EPROTONOSUPPORT;

}

所以如果我们在新建套接字的时候使用socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)，那么内核就会默认给你把protocol修正为IPPROTO_TCP。

好吧，其实整篇文章我就是想搞清楚这最后的一句话。

1 0