套接字疑惑------------套接字的数据结构是什么样子的？？？

一、套接字与套接字接口

套接字是应用程序访问系统网络服务的接口。端到端的通信通过一对套接字来实现，一个套接字对应一个通信端点。

从实现来看，套接字是端端通信的抽象描述。在应用程序里，套接字对应一个整数值（套接字描述符）；在内核里，套接字对应一个管理通信过程的对象（struct socket结构）。该结构与前面所说的整数值一一对应。

在Linux系统内核中，struct socket结构对象不仅封装了管理通信过程的数据信息，还封装了负责网络通信的功能函数（其具体的实现方式有些类似MFC中的回调函数）。为了便于访问这些功能函数，Linux提供了一系列编程接口函数，即套接字接口。通过这些接口，应用程序触发系统调用来调用上述功能函数，从而访问网络服务。

根据底层网络机制的差异，套接字可以定义为不同协议族的套接字。比如INET协议族套接字，UNIX域套接字等。在内核源文件include/linux/socket.h中，每个协议族标识符被定义为一个整数：

#define PF_UNSPEC    AF_UNSPEC
#define PF_UNIX      AF_UNIX
#define PF_LOCAL     AF_LOCAL
#define PF_INET      AF_INET
#define PF_AX25      AF_AX25
...

创建套接字时，可以通过参数选择协议族。如果指定为PF_INET协议族，则称套接字为INET套接字。INET套接字的接口函数提供了TCP/IP网络服务功能。

套接字接口会实现一系列功能以便应用程序使用，包括：套接字创建、地址绑定、连接请求、端口监听、连接请求允许、数据包发送和接收等。

二、套接字创建流程

应用程序采用socket函数创建套接字。socket会触发内核调用sys_socket函数，随后sys_socket又调用sock_create函数。根据socket函数在参数中指定的协议族类型sock_create函数有选择地调用不同的套接字创建函数，例如，当指定PF_INET协议族时，sock_create函数调用inet_create创建INET套接字。这些套接字函数首先创建套接字的内核表示结构，再返回一个套接字描述符来标识生成的套接字对象。socket函数返回时，应用程序获得这个套接字描述符。

三、一些重要的套接字数据结构

Linux内核提供了一系列管理套接字的数据类型，此处只介绍几个比较重要的。其中，struct net_proto_family是协议族管理类型，负责不同协议族套接字的创建；struct socket是套接字结构类型，每个套接字在内核中都对应唯一的struct sockt结构；struct proto_ops是协议族套接字的操作集，统一管理套接字操作函数；struct sock是套接字在传输层的表示类型，为套接字指定传输层协议后，其struct socket的sk指针将指向一个与传输协议关联的struct sock结构；struct proto是传输层协议操作集，统一管理传输层协议的操作函数。

1、struct net_proto_family

struct net_proto_family
{
    int family;                                          //协议族标志
    int (*create)(strcut socket *sock, int protocol);    //套接字创建方法
    short authentication;                                //认证管理字段
    short encryption;                                    //加密管理字段
    short encrypt_net;
    struct module * owner;
};

struct net_proto_family管理不同协议族套接字的创建方法，其中create指针指向具体协议族套接字的创建函数。在include/linux/socket.h文件中，内核用整数定义这些协议族。在初始化时，Linux系统支持的协议族被注册到数组static struct net_proto_family *net_families中。以下为一些常见协议族

#define PF_UNIX            1        //UNIX域协议族
#define PF_INET            2        //TCP/IP协议族
#define PF_IPX             4        //Novell网的IPX协议族
#define PF_APPLETALK       5
#define PF_ATMPVC          8
#define PF_X25            9
#define PF_INET6          10
#define PF_NETLINK        16

Linux通过net_families表来管理协议族，该表是struct net_proto_family类型的指针数组，定义为：

static struct net_proto_family * net_families[NPROTO]；

协议族初始化时，套接字创建方法被sock_register函数(位于net\socket.c中)注册到net_families中：

int sock_register(const struct net_proto_family *ops)
{
    ...
    if (rcu_dereference_protected(net_families[ops->family],
                      lockdep_is_held(&net_family_lock)))
        err = -EEXIST;
    else {
        rcu_assign_pointer(net_families[ops->family], ops);
        err = 0;
    }
    ...
}

比如INET协议族初始化时，函数inet_init调用sock_register来注册INET套接字的创建方法（struct net_proto_family类型变量inet_family_ops管理INET套接字的创建方法）。

sock_register函数定义如下：

int sock_register(const struct net_proto_family *ops)
{
    int err;

    if (ops->family >= NPROTO) {
        printk(KERN_CRIT "protocol %d >= NPROTO(%d)\n", ops->family,
               NPROTO);
        return -ENOBUFS;
    }

    spin_lock(&net_family_lock);
    if (rcu_dereference_protected(net_families[ops->family],
                      lockdep_is_held(&net_family_lock)))
        err = -EEXIST;
    else {
        rcu_assign_pointer(net_families[ops->family], ops);
        err = 0;
    }
    spin_unlock(&net_family_lock);

    printk(KERN_INFO "NET: Registered protocol family %d\n", ops->family);
    return err;
}

例如，inet_family_ops变量定义为：

struct net_proto_family inet_family_ops =
{
    .family = PF_INET,
    .create = inet_create,
    .owner = THIS_MODULE
};

变量inet_family_ops管理INET协议族套接字的创建方法，其create指针指向inet_create函数。

上文提到的inet_init函数代码如下：

static int __init inet_init(void)
{
    (void)sock_register(&inet_family_ops);
}

struct net_proto_family的定义代码位于文件include/linux/net.h

2、struct proto_ops

struct proto_ops
{
    int family;//协议族
    struct module *owner;//所属模块
    //以下均为以函数指针形式指定的套接字操作
    int (*release)(struct socket *sock);
    int (*bind)(struct socket *sock, struct sockaddr *myaddr,
                int sockaddr_len);
    ...
};

struct proto_ops类型是协议族操作集。不同协议族套接字的操作函数可能不同，但Linux通过struct proto_ops中那些函数指针统一了接口，用这些函数指针来操作套接字。对于INET协议族的TCP和UDP协议，Linux分别提供了inet_stream_ops和inet_dgram_ops两个struct proto_ops类型的变量，以inet_stream_ops为例：

struct proto_ops inet_stream_ops =
{
    .family = PF_INET,
    .owner = THIS_MODULE,
    .release = inet_release,
    .bind = inet_bind,
    ...
}

struct proto_ops的声明位于include/linux/net.h

3、struct socket类型

struct socket
{
    socket_state    state;//状态值
    unsigned long flags;//标识
    struct proto_ops *ops;//指向一个struct proto_ops结构，为套接字提供协议族操作集
    struct fasync_struct *fasync_list;//异步唤醒链表
    struct file *file;//文件指针
    struct sock *sk;//指向struct sock结构体，该结构体是套接字在传输层的表示结构
    wait_queue_head_t wait;//等待队列
    short type;//传输层数据类型
    unsigned char passcred;//授权描述
};

struct socket类型统一表示不同协议族的套接字，它与应用程序引用的套接字描述符一一对应。成员ops指向struct proto_ops结构体，代表具体协议族套接字的操作集。比如若INET协议族采用TCP传输协议，那么ops指向的结构体为inet_stream_ops；若INET协议族套接字采用UDP传输协议，那么ops指向的结构体等同于inet_dgram_ops。sk指向的struct sock结构体代表了传输层的套接字结构，包含了与具体传输层协议相关的信息，如其中的sk_prot指针提供了传输层的操作集。

struct socket的定义代码位于文件include/linux/net.h

4、struct proto类型

struct proto
{
    void (*close)(struct sock *sk, long timeout);//关闭套接字
    ...//一系列函数指针
    atomic_t *memory_allocated;//分配的内存数
    atomic_t *sockets_allocated;//分配的套接字数
    int *memory_pressure;//与memory_allocated有关的控制
    int *sysctl_mem;//内存访问限制指针
    int *sysctl_wmem;
    int *sysctl_rmem;
    int max_header;//最大头部
    char name[32];//名字描述
    struct
    {
        int inuse;
        u8 __pad[SMP_CACHE_BYTES - sizeof(int)];
    }stats[NR_CPUS];//填充字段
};

该结构体封装了传输协议操作集。

5、struct sock类型

该结构体是套接字在传输层的表示结构。所有的套接字最后通过该结构来使用网络协议栈的服务。这个结构体定义于include/net/sock.h。

6、struct net_protocol类型

该结构体定义于include/net/protocol.h。

该结构管理传输层接收数据包的方法（也是通过函数指针）。例如TCP初始化时，内核在前文提到过的inet_init函数中注册了接收TCP数据包的方法用(struct net_protocol类型变量tcp_protocol表示)，代码如下

if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
    printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add TCP protocol\n");

7、struct inet_protosw类型

该结构把INET套接字的协议族操作集与传输层协议操作集关联起来。

struct inet_protosw {
    struct list_head list;

        /* These two fields form the lookup key.  */
    unsigned short     type;       /* This is the 2nd argument to socket(2). */
    unsigned short     protocol; /* This is the L4 protocol number.  */

    struct proto     *prot;//传输层协议操作集
    const struct proto_ops *ops;//协议族套接字操作集

    char             no_check;   /* checksum on rcv/xmit/none? */
    unsigned char     flags;      /* See INET_PROTOSW_* below.  */
};

在/net/ipv4/Af_inet.c中分别针对INET套接字中TCP、UDP和RAW三种协议，以数组方式定义了三个inet_protosw类型变量：

static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
    {
        .type =       SOCK_STREAM,
        .protocol =   IPPROTO_TCP,
        .prot =       &tcp_prot,
        .ops =        &inet_stream_ops,
        .no_check =   0,
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
                  INET_PROTOSW_ICSK,
    },

    {
        .type =       SOCK_DGRAM,
        .protocol =   IPPROTO_UDP,
        .prot =       &udp_prot,
        .ops =        &inet_dgram_ops,
        .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },


       {
           .type =       SOCK_RAW,
           .protocol =   IPPROTO_IP,    /* wild card */
           .prot =       &raw_prot,
           .ops =        &inet_sockraw_ops,
           .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
           .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

这三个变量实现了INET协议族中各协议族操作集与对应的传输层操作的关联。在inet_init函数初始化INET协议族时，通过inet_register_protosw把数组inetsw_array记录的信息注册到inetsw数组中，在系统实际使用时，以协议族为索引访问inetsw。

struct inet_protosw位于include/net/protocol.h

8、Msghdr类型

该结构负责应用程序与内核交互网络数据，准备发送的数据信息封装在这里。该结构体位于include/linux/socoket.h

四、套接字创建流程及数据发送流程

以INET协议族为例：

套接字创建流程：

应用程序创建套接字时，调用socket函数，该函数触发内核的sys_socket函数。sys_socket函数引用sock_create，sock_create又调用__sock_create来创建套接字结构，具体实现包括：struct socket结构对象，访问net_families变量得到协议族套接字的创建方法。对于INET套接字得到对应的套接字创建方法inet_create。inet_create函数创建一个INET套接字（用socket结构体表示），并根据套接字类型来决定传输层所采用的协议。socket结构体最重要的信息保存于其内部的sock结构体中（由sk指针指向该结构），inet_create为此结构分配内存，并根据套接字类型做出不同的初始化