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。

 

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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；

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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;

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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；

 

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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;             }

 

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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。