【Linux 内核网络协议栈源码剖析】sendto 函数剖析


http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/46898725


前面介绍的函数基本上都是TCP协议的，如listen，connect，accept 等函数，这都是为可靠传输协议TCP定制的。对于另一个不可靠udp协议（通信系统其可靠性交由上层应用层负责），则主要由两个函数完成，sendto 和 recvfrom 函数。这里先介绍 sendto 函数。

说明：sendto 和 recvfrom 函数不限于udp协议，这里只是udp协议当中是采用这两个函数实现的，所以就放在udp协议中介绍。

对于 udp 协议的介绍和编程实现请参考下文：UDP 客户/服务器简单 Socket 程序

简要介绍下UDP数据报格式，相比TCP数据报格式，实在是简洁不少。

                                  

上面的各个字段含义一目了然（上面是16是表示该字段占16bit，udp头部占8字节），其中长度指的是此 UDP 数据报的长度（包括 UDP 数据报头部和 “数据” 部分）。

一、应用层——sendto 函数

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  1. #include <sys/socket.h>  
  2. ssize_t sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,  
  3.                const struct sockaddr *to, socklen_t *addrlen);  
  4. //若成功则返回写的字节数，出错则返回-1  
  5. /*参数解析 
  6. 前面三个参数分别表示：套接字描述符，指向写出缓冲区的指针和写字节数。 
  7. to：指向一个含有数据报接收者的协议地址（如IP地址和端口号）的套接字地址结构，其大小由addrlen参数指定 
  8. */  
该函数的作用是：向指定端口发送给定地址中的指定大小数据（如客户端sockfd，向 to 指定的远端套接字发送buff 缓冲区内nbytes 个字节数据）

二、BSD Socket层——sock_sendto 函数

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  1. /* 
  2.  *  Send a datagram to a given address. We move the address into kernel 
  3.  *  space and check the user space data area is readable before invoking 
  4.  *  the protocol. 
  5.  */  
  6. //发送数据给指定的远端地址，主要用于UDP协议  
  7. //前面三个参数分别表示套接口描述字、指向缓冲区的指针和读写字节数  
  8. //addr指向一个含有数据包接收者的协议地址(含ip地址和端口号)的套接口地址结构  
  9. //其大小由addr_len参数指定  
  10. //该函数的作用就是向指定地址的远端发送数据包：将buff缓冲区中len大小的数据发送给addr指定的远端套接字  
  11. static int sock_sendto(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,  
  12.        struct sockaddr *addr, int addr_len)  
  13. {  
  14.     struct socket *sock;  
  15.     struct file *file;  
  16.     char address[MAX_SOCK_ADDR];  
  17.     int err;  
  18.     //参数有效性检查  
  19.     if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))  
  20.         return(-EBADF);  
  21.     //找到给定文件描述符对应的socket结构  
  22.     if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL)))  
  23.         return(-ENOTSOCK);  
  24.   
  25.     if(len<0)  
  26.         return -EINVAL;  
  27.     //检查权限，buff中len个字节区域是否可读  
  28.     err=verify_area(VERIFY_READ,buff,len);  
  29.     if(err)  
  30.         return err;  
  31.     //从addr拷贝addr_len大小的数据到address  
  32.     if((err=move_addr_to_kernel(addr,addr_len,address))<0)  
  33.         return err;  
  34.     //调用下层函数sendto,inet域为inet_sendto函数  
  35.     return(sock->ops->sendto(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),  
  36.         flags, (struct sockaddr *)address, addr_len));  
  37. }  
三、INET Socket层——inet_sendto 函数
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  1. //INET socket层  
  2. tatic int inet_sendto(struct socket *sock, void *ubuf, int size, int noblock,   
  3.     unsigned flags, struct sockaddr *sin, int addr_len)  
  4.   
  5.    //得到socket对应的sock结构  
  6. struct sock *sk = (struct sock *) sock->data;  
  7. //判断该套接字的有效性，是否处于关闭状态(半关闭)  
  8. if (sk->shutdown & SEND_SHUTDOWN)   
  9. {  
  10.     send_sig(SIGPIPE, current, 1);  
  11.     return(-EPIPE);  
  12. }  
  13. if (sk->prot->sendto == NULL)   
  14.     return(-EOPNOTSUPP);  
  15. if(sk->err)  
  16.     return inet_error(sk);  
  17. /* We may need to bind the socket. */  
  18. //自动绑定一个本地端口号  
  19. if(inet_autobind(sk)!=0)  
  20.     return -EAGAIN;  
  21. //调用下层传输层函数udp_sendto函数  
  22. return(sk->prot->sendto(sk, (unsigned char *) ubuf, size, noblock, flags,   
  23.            (struct sockaddr_in *)sin, addr_len));  
四、传输层

udp_sento 函数

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  1. static int udp_sendto(struct sock *sk, unsigned char *from, int len, int noblock,  
  2.        unsigned flags, struct sockaddr_in *usin, int addr_len)  
  3. {  
  4.     struct sockaddr_in sin;  
  5.     int tmp;  
  6.   
  7.     /*  
  8.      *  Check the flags. We support no flags for UDP sending 
  9.      */  
  10.      //udp除了MSG_DONTROUTE外，不支持任何其他标志位  
  11.     if (flags&~MSG_DONTROUTE)   
  12.         return(-EINVAL);  
  13.     /* 
  14.      *  Get and verify the address.  
  15.      */  
  16.     //对远端地址的合法性检查，由于不涉及网络数据传送，所以无法验证这个地址存在性  
  17.       
  18.     if (usin)   
  19.     {  
  20.     //如果明确指定远端地址，就直接检查该地址的有效性  
  21.         if (addr_len < sizeof(sin)) //大小  
  22.             return(-EINVAL);  
  23.         memcpy(&sin,usin,sizeof(sin));  
  24.         if (sin.sin_family && sin.sin_family != AF_INET) //本地地址有效性  
  25.             return(-EINVAL);  
  26.         if (sin.sin_port == 0) //端口号有效性  
  27.             return(-EINVAL);  
  28.     }   
  29.     else   
  30.     {  
  31.     //如果没有明确指定远端地址，则检查之前是否调用了connect函数进行了地址绑定  
  32.         if (sk->state != TCP_ESTABLISHED)   
  33.             return(-EINVAL);  
  34.         //如果进行了绑定，则将远端地址设置为这个绑定的地址  
  35.         sin.sin_family = AF_INET;  
  36.         sin.sin_port = sk->dummy_th.dest;  
  37.         sin.sin_addr.s_addr = sk->daddr;  
  38.     }  
  39.     
  40.     /* 
  41.      *  BSD socket semantics. You must set SO_BROADCAST to permit 
  42.      *  broadcasting of data. 
  43.      */  
  44.     //处理尚未指定本地地址的情况  
  45.     if(sin.sin_addr.s_addr==INADDR_ANY)  
  46.         sin.sin_addr.s_addr=ip_my_addr();  
  47.   
  48.     //处理广播的情况  
  49.     if(!sk->broadcast && ip_chk_addr(sin.sin_addr.s_addr)==IS_BROADCAST)  
  50.             return -EACCES;         /* Must turn broadcast on first */  
  51.   
  52.     sk->inuse = 1;//加锁  
  53.   
  54.     /* Send the packet. */  
  55.     //转调用udp_send函数  
  56.     tmp = udp_send(sk, &sin, from, len, flags);  
  57.   
  58.     /* The datagram has been sent off.  Release the socket. */  
  59.     //数据包以发送，释放该套接字，前面介绍到这个函数的两个功能  
  60.     //取决于sk_dead字段是否设置  
  61.     release_sock(sk);  
  62.     return(tmp);  
  63. }  
udp_send 函数
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  1.  //根据被调用出清楚参数情况  
  2. static int udp_send(struct sock *sk, struct sockaddr_in *sin,  
  3.      unsigned char *from, int len, int rt)  
  4. {  
  5.     struct sk_buff *skb;  
  6.     struct device *dev;  
  7.     struct udphdr *uh;  
  8.     unsigned char *buff;  
  9.     unsigned long saddr;  
  10.     int size, tmp;  
  11.     int ttl;  
  12.     
  13.     /*  
  14.      *  Allocate an sk_buff copy of the packet. 
  15.      */  
  16.     //计算所需要分配的封装数据的缓冲区大小   
  17.     size = sk->prot->max_header + len;  
  18.     //分配指定大小的sk_buff 结构用于封装数据  
  19.     skb = sock_alloc_send_skb(sk, size, 0, &tmp);  
  20.   
  21.   
  22.     if (skb == NULL)   
  23.         return tmp;  
  24.   
  25.     skb->sk       = NULL;    /* to avoid changing sk->saddr */  
  26.     skb->free     = 1;//发送完后数据包立即释放，udp不提供超时重传  
  27.     skb->localroute = sk->localroute|(rt&MSG_DONTROUTE);//指定路由类型  
  28.   
  29.     /* 
  30.      *  Now build the IP and MAC header.  
  31.      */  
  32.        
  33.     buff = skb->data;//udp首部和有效负载  
  34.     saddr = sk->saddr;//本地地址  
  35.     dev = NULL;  
  36.     ttl = sk->ip_ttl;  
  37. #ifdef CONFIG_IP_MULTICAST  
  38.     //如果目的地址是多播，则设置TTL值为1，表示局限于本地网络，不可跨越路由器  
  39.   
  40.     if (MULTICAST(sin->sin_addr.s_addr))  
  41.         ttl = sk->ip_mc_ttl;  
  42. #endif  
  43.     //创建MAC首部和IP首部  
  44.     tmp = sk->prot->build_header(skb, saddr, sin->sin_addr.s_addr,  
  45.             &dev, IPPROTO_UDP, sk->opt, skb->mem_len,sk->ip_tos,ttl);  
  46.   
  47.     skb->sk=sk;//关联  /* So memory is freed correctly */  
  48.       
  49.     /* 
  50.      *  Unable to put a header on the packet. 
  51.      */  
  52.                   
  53.     if (tmp < 0 ) //创建失败  
  54.     {  
  55.         sk->prot->wfree(sk, skb->mem_addr, skb->mem_len);  
  56.         return(tmp);  
  57.     }  
  58.       
  59.     buff += tmp;//定位到udp首部位置  
  60.     saddr = skb->saddr; /*dev->pa_addr;*/  
  61.     //数据报sk_buff中挂载的数据部分长度:下面注释，len是有效数据负载长度  
  62.     skb->len = tmp + sizeof(struct udphdr) + len;    /* len + UDP + IP + MAC */  
  63.     skb->dev = dev;//网络接口设备  
  64.       
  65.     /* 
  66.      *  Fill in the UDP header.  
  67.      */  
  68.     //udp首部字段的初始化  
  69.     uh = (struct udphdr *) buff;  
  70.     uh->len = htons(len + sizeof(struct udphdr));//长度字段  
  71.     uh->source = sk->dummy_th.source;//源端端口，sk中tcp首部字段  
  72.     uh->dest = sin->sin_port;//目的端口  
  73.     buff = (unsigned char *) (uh + 1);//定位到数据部分  
  74.     //MAC header | IP Header | UDP Header | Data  
  75.     //uh本身已经指向了udp首地址，uh+1，表示后移一个udp首部大小位置，定位到了数据负载  
  76.   
  77.     /* 
  78.      *  Copy the user data.  
  79.      */  
  80.     //从from拷贝len大小的数据到buff，即把应用层中待发送的缓冲区的数据拷贝到数据包的数据负载中  
  81.     //然后通过数据包整体打包发送出去。  
  82.     //就好比货物搭上了货轮开往目的地，为啥不是火车呢，因为火车线路已经固定好了，只能这么走。  
  83.     memcpy_fromfs(buff, from, len);  
  84.   
  85.     /* 
  86.      *  Set up the UDP checksum.  
  87.      */  
  88.     //同tcp，这里进行udp校验和检查   
  89.     udp_send_check(uh, saddr, sin->sin_addr.s_addr, skb->len - tmp, sk);  
  90.   
  91.     /*  
  92.      *  Send the datagram to the interface.  
  93.      */  
  94.        
  95.     udp_statistics.UdpOutDatagrams++;  
  96.     //调用ip_queue_xmit函数将数据包发往网络层模块处理。以下处理就和TCP协议一样了，二者的差异只在于传输层  
  97.     //该函数以及更下层数据传送前面已经介绍，  
  98.     sk->prot->queue_xmit(sk, dev, skb, 1);  
  99.     return(len);  
  100. }  
关于ip_queue_xmit 函数的介绍以及更下层的数据传送，参见博文：【Linux 内核网络协议栈源码剖析】数据包发送

可以看出，udp是一种无连接传输层协议，不像tcp那样需要服务器监听，也不必等待客户端与服务器建立连接后才能通信，效率优于tcp协议，但udp则不能保证数据传输的可靠性。
udp 的数据传输，实现并不像tcp那样要建立一条数据传输通道，而是直接创建套接字后，直接传送数据到给定的远端（提供远端地址），数据传送过程无超时重传和序列号校验工作，适用于数据传输的连续性比数据的完整性更重要的场合，允许数据在传输过程中有部分丢失，如IP电话、流媒体通信等。



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