套接字的秘密—socket与sock

最新推荐文章于 2024-03-30 00:15:00 发布

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本文深入探讨了Linux系统中套接字与文件系统的内在联系，解释了套接字如何通过描述符与文件系统关联，以及socket_file_ops在其中的作用。通过structsocket和structsock两个核心数据结构，详细阐述了套接字的内部机制，包括协议类型的确定、特定协议操作的执行，以及socketcall()函数在区分特有操作中的关键作用。

那么如何把套接字和文件联系起来呢？答案就是通过下面这张图。

file

其中task_struct表示一个进程，files_struct中的fd_array[]表示该进程打开的所有描述符，对于套接字来说，与其他类型文件的区别就是最终f_op指向的是socket_file_ops。不过，可以看到，这里的socket_file_ops只有一些通用的操作，并没有send和recv。特有的操作通过 socketcall() 区分的。

socket 和 sock

终于到今天的主角了。实际上，对每一个新创建的套接字，内核协议栈都会创建struct socket和struct sock两个数据结构。这两个结构就像孪生兄弟，struct socket面向用户空间，struct sock面向内核空间。

struct socket

struct socket简化版的结构如下

socket 和 sock

struct socket

struct socket简化版的结构如下

<net.h> struct socket {

unsigned long flags;

const struct proto_ops *ops;

struct file *file;

struct sock *sk;

short type; };

其中type表示协议，这是在创建套接字的时候的protocol参数确定的

int socket(int domain, int type, int protocol);

file指针指向上面那张图中的struct file结构，通过它，socket便与文件系统关联了起来。
sk指向孪生的兄弟sock结构。
socket结构中最重要的要数ops指针了，根据协议类型，它指向一种特定协议的实现。比如TCP的就是inet_stream_ops，ICMP、UDP协议对应inet_dgram_ops,RAWIP对应的是inet_sockraw_ops同样地，这些也都在创建套接字的时候就决定了。
struct proto_ops的简化版本的结构如下

<net.h> struct proto_ops{ int family;

int (*bind)(struct socket *sock, struct sockaddr *myaddr, int sockaddr_len);

int (*connect)(struct socket *sock,struct sockaddr *vaddr,int sockaddr_len, int flags);

int (*accept)(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags);

int (*sendmsg)(struct socket *sock, struct msghdr *m, size_t total_len);

}

其中的接口名字是不是很熟悉？是的，它们和进行网络编程时调用的C库中函数名字是一样的。以sendmsg为例，真实的调用过程是这样

sendmsg

即当用户调用sendmsg时，内核会找到描述符fd对应的struct socket结构，然后调用sock->ops->sendmsg执行特定协议的发送。

那么，ops字段什么时候被赋值呢？答案是，在创建struct sock结构前。

struct sock

struct sock的简化结构如下图所示

struct sock_common {

struct proto *skc_prot;

};

struct sock {

struct sock_common __sk_common;

struct sk_buff_head sk_receive_queue;

struct sk_buff_head sk_write_queue;

};

其中最重要的字段就是skc_prot，它也是协议相关的。作为struct socket结构的孪生兄弟，struct sock结构也是在用户创建套接字时就创建的

sock-create

sock_alloc创建了struct socket结构，随后，根据用户传入的family，查询数组net_families，找到对应的函数指针，调用create.

net_families保存着内核启动时注册（通过sock_register）的 socket protocol handler，比如以下几种：

static const struct net_proto_family inet_family_ops = { .family = PF_INET, .create = inet_create, .owner = THIS_MODULE, }; static const struct net_proto_family netlink_family_ops = { .family = PF_NETLINK, .create = netlink_create, .owner = THIS_MODULE, /* for consistency 8) */ }; static const struct net_proto_family packet_family_ops = { .family = PF_PACKET, .create = packet_create, .owner = THIS_MODULE, }; static const struct net_proto_family unix_family_ops = { .family = PF_UNIX, .create = unix_create, .owner = THIS_MODULE,， };

inetsw

inetsw中注册的每种协议都有ops和prot两个字段，前者与struct socket结构关联到一起，后者与struct sock关联到一起。在inet_create中，struct socket的ops字段和struct sock的sk_prot字段被赋值。

以我们创建的套接字类型是TCP为例，此时struct socket和struct sock的关系如下