struct socket结构体详解

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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。  wKioL1R8EgfAF5ZDAAGd1S8RhIA115.jpg

    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)。

   wKiom1R8Hx3THEffAAVlvwxDKzk034.jpg

 wKioL1R8H7vSc54pAAN3Efqa5N0077.jpg        

wKiom1R8H9Lz9dl4AAMbicmeYGI140.jpg

wKioL1R8IG2DYTRwAAKqw4_sJrE248.jpg

 

 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：

wKiom1R9K3zSLJWrAASNJz0QxPc672.jpg

 

int kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,

           struct kvec *vec, size_t num, size_t size)函数的实现为：

wKioL1R8mqCDxdedAALtXFBqeDk456.jpg

 

   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：

wKiom1R9KNyQKTtUAAT07fVKu2A037.jpg

   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：

wKiom1R9KnbxNq6eAAKakSYH0Js684.jpg

  kernel_recvmsg()的用法：

wKioL1R9JlixQrpdAAJD7SWJH2g182.jpg

 

 

  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。

 

  

    以上这些函数位于linux源代码包中的/net/socket.c之中。

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