内核态基本套接字编程

1 建立监听和连接服务 

服务端建立tco监听的代码如下：

struct sockaddr_in  locaddr;
struct socket      *sock;
struct socket      *newsock;
int                 rc;
int                 backlog = 0;
int                 shutdown;

char *server_ip = "192.168.0.1";
__u32 local_ip =  (__u32)inet_addr(server_ip);
int local_port = 1123456

/*第1步：创建套接字*/
rc = sock_create (PF_INET, SOCK_STREAM, 0, &sock);

if (local_ip != 0 || local_port != 0) 
{
    memset(&locaddr, 0, sizeof(locaddr));
    locaddr.sin_family = AF_INET;
    locaddr.sin_port = htons(local_port);
    locaddr.sin_addr.s_addr = (local_ip == 0) ?
                              INADDR_ANY : htonl(local_ip);

    /*第2步：绑定ip或端口*/
    rc = sock->ops->bind(sock, (struct sockaddr *)&locaddr,
                                  sizeof(locaddr));
    if (rc == -EADDRINUSE) 
    {
        printk( "Port %d already in use\n", local_port);
    }

    if (rc != 0) 
    {
        printk( "Error trying to bind to port %d: %d\n", local_port, rc);

    }
}

/*第3步：开始监听*/
rc = (*sockp)->ops->listen(*sockp, backlog);

shutdown = rc

/*第4步：进入循环，等待客户端连接，并且可以由全局变量shutdown控制停止服务*/
while (!shutdown) {
    wait_queue_t   wait;
    struct socket *newsock;
    struct sockaddr_in sin;
    init_waitqueue_entry(&wait, current);
    __u32          peer_ip;
    int            peer_port;

        /*内核态套接字编程这一步很重要，在服务端是要建立客户端的socket结构*/
        rc = sock_create_lite(PF_PACKET, sock->type, IPPROTO_TCP, &newsock);
        if (rc) {
                printk("Can't allocate socket\n");
                return rc;
        }

        newsock->ops = sock->ops;

        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);/*睡眠，等待收到连接请求后被底层网络驱动程序唤醒*/
        add_wait_queue(sock->sk->sk_sleep, &wait);

        /*第5.1步：在被调度出去之前，尝试处理是否有收到连接*/
        rc = sock->ops->accept(sock, newsock, O_NONBLOCK);
        if (rc == -EAGAIN) {
                /* 第5.2步：开始睡眠 */
                schedule();
                /*第5.3步：被唤醒，尝试处理收到连接*/
                rc = sock->ops->accept(sock, newsock, O_NONBLOCK);
        }

        remove_wait_queue(sock->sk->sk_sleep, &wait);
        set_current_state(TASK_RUNNING);

        /*第6步：获得客户端的ip和端口*/
        rc = newsock->ops->getname (newsock, (struct sockaddr *)&sin, &len,
                                 remote ? 2 : 0);
        peer_ip = ntohl (sin.sin_addr.s_addr);
        peer_port = ntohs (sin.sin_port);
}

客户端与服务器建立tcp连接的代码如下:

server=gethostbyname(SERVER_NAME);
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
address.sin_family=AF_INET；
address.sin_port=htons(PORT_NUM);
memcpy(&address.sin_addr,server->h_addr,server->h_length);
connect(sockfd,&address,sizeof(address));

连接的初始化与建立期间主要发生的事情如下：


1）sys_socket调用：调用socket_creat(),创建出一个满足传入参数family、type、和protocol的socket,调用sock_map_fd()获取一个未被使用的文件描述符，并且申请并初始化对应的file{}结构。


2）sock_creat()：创建socket结构，针对每种不同的family的socket结构的初始化，就需要调用不同的create函数来完成。对应于inet类型的地址来说，在网络协议初始化时调用sock_register()函数中完成注册的定义如下：
struct net_proto_family inet_family_ops={
PF_INET;
inet_create
};
所以inet协议最后会调用inet_create函数。


3）inet_create: 初始化sock的状态设置为SS_UNCONNECTED,申请一个新的sock结构，并且初始化socket的成员ops初始化为 inet_stream_ops,而sock的成员prot初始化为tcp_prot。然后调用sock_init_data,将该socket结构的变量sock和sock类型的变量关联起来。


4）在系统初始化完毕后便是进行connect的工作，系统调用connect将一个和socket结构关联的文件描述符和一个 sockaddr{}结构的地址对应的远程机器相关联，并且调用各个协议自己对应的connect连接函数。对应于tcp类型，则 sock->ops->connect便为inet_stream_connect。


5）inet_stream_connect: 得到sk,sk=sock->sk,锁定sk，对自动获取sk的端口号存放在sk->num中，并且用htons()函数转换存放在sk-& gt;sport中。然后调用sk->prot->connect()函数指针，对tcp协议来说就是tcp_v4_connect()函数。然后将sock->state状态字设置为SS_CONNECTING,等待后面一系列的处理完成之后，就将状态改成 SS_CONNECTTED。


6) tcp_v4_connect()：调用函数ip_route_connect()，寻找合适的路由存放在rt中。ip_route_connect找两次，第一次找到下一跳的ip地址，在路由缓存或fib中找到，然后第二次找到下一跳的具体邻居，到neigh_table中找到。然后申请出tcp头的空间存放在buff中。将sk中相关地址数据做一些针对路由的变动，并且初始化一个tcp连接的序列号，调用函数tcp_connect（），初始化tcp 头，并设置tcp处理需要的定时器。一次connect（）建立的过程就结束了。


客户端连接的关闭主要如下：


　　1）close: 一个socket文件描述符对应的file{}结构中，有一个file_operations{}结构的成员f_ops，它的初始化关闭函数为sock_close函数。


　　2）sock_close：调用函数sock_release(),参数为一个socket{}结构的指针。


　　3）sock_release：调用inet_release，并释放socket的指针和文件空间


　　4）inet_release: 调用和该socket对应协议的关闭函数inet_release,如果是tcp协议，那么调用的是tcp_close；最后释放sk。

2 数据发送流程

各层主要函数以及位置功能说明：


1)sock_write：初始化msghdr{}结构 net/socket.c


2)sock_sendmsg:net/socket.c


3)inet_sendmsg:net/ipv4/af_net.c


4)tcp_sendmsg：申请sk_buff{}结构的空间，把msghdr{}结构中的数据填入sk_buff空间。net/ipv4/tcp.c


5)tcp_send_skb:net/ipv4/tcp_output.c


6)tcp_transmit_skb:net/ipv4/tcp_output.c


7)ip_queue_xmit:net/ipv4/ip_output.c


8)ip_queue_xmit2:net/ipv4/ip_output.c


9)ip_output:net/ipv4/ip_output.c


10)ip_finish_output:net/ipv4/ip_output.c


11)ip_finish_output2:net/ipv4/ip_output.c


12)neigh_resolve_output:net/core/neighbour.c


13)dev_queue_xmit:net/core/dev.c

3 数据接收流程

各层主要函数以及位置功能说明：


1)sock_read:初始化msghdr{}的结构类型变量msg，并且将需要接收的数据存放的地址传给msg.msg_iov->iov_base.      net/socket.c


2)sock_recvmsg: 调用函数指针sock->ops->recvmsg()完成在INET Socket层的数据接收过程.其中sock->ops被初始化为inet_stream_ops,其成员recvmsg对应的函数实现为 inet_recvmsg()函数. net/socket.c


3)sys_recv()/sys_recvfrom():分别对应着面向连接和面向无连接的协议两种情况. net/socket.c


4)inet_recvmsg:调用sk->prot->recvmsg函数完成数据接收,这个函数对于tcp协议便是tcp_recvmsg net/ipv4/af_net.c


5)tcp_recvmsg:从网络协议栈接收数据的动作,自上而下的触发动作一直到这个函数为止,出现了一次等待的过程.函数 tcp_recvmsg可能会被动地等待在sk的接收数据队列上,也就是说,系统中肯定有其他地方会去修改这个队列使得tcp_recvmsg可以进行下去.入口参数sk是这个网络连接对应的sock{}指针,msg用于存放接收到的数据.接收数据的时候会去遍历接收队列中的数据,找到序列号合适的.


但读取队列为空时tcp_recvmsg就会调用tcp_v4_do_rcv使用backlog队列填充接收队列.


6)tcp_v4_rcv:tcp_v4_rcv被ip_local_deliver函数调用,是从IP层协议向INET Socket层提交的"数据到"请求,入口参数skb存放接收到的数据,len是接收的数据的长度,这个函数首先移动skb->data指针,让它指向tcp头,然后更新tcp层的一些数据统计,然后进行tcp的一些值的校验.再从INET Socket层中已经建立的sock{}结构变量中查找正在等待当前到达数据的哪一项.可能这个sock{}结构已经建立,或者还处于监听端口、等待数据连接的状态。返回的sock结构指针存放在sk中。然后根据其他进程对sk的操作情况,将skb发送到合适的位置.调用如下:


TCP包接收器(tcp_v4_rcv)将TCP包投递到目的套接字进行接收处理. 当套接字正被用户锁定,TCP包将暂时排入该套接字的后备队列(sk_add_backlog).这时如果某一用户线程企图锁定该套接字 (lock_sock),该线程被排入套接字的后备处理等待队列(sk->lock.wq).当用户释放上锁的套接字时 (release_sock,在tcp_recvmsg中调用),后备队列中的TCP包被立即注入TCP包处理器(tcp_v4_do_rcv)进行处理,然后唤醒等待队列中最先的一个用户来获得其锁定权. 如果套接字未被上锁,当用户正在读取该套接字时, TCP包将被排入套接字的预备队列(tcp_prequeue),将其传递到该用户线程上下文中进行处理.如果添加到sk->prequeue不成功,便可以添加到 sk->receive_queue队列中(用户线程可以登记到预备队列,当预备队列中出现第一个包时就唤醒等待线程.)   /net/tcp_ipv4.c


7)ip_rcv、ip_rcv_finish:从以太网接收数据，放到skb里，作ip层的一些数据及选项检查，调用 ip_route_input()做路由处理,判断是进行ip转发还是将数据传递到高一层的协议.调用skb->dst->input函数指针,这个指针的实现可能有多种情况,如果路由得到的结果说明这个数据包应该转发到其他主机,这里的input便是ip_forward;如果数据包是给本机的,那么input指针初始化为ip_local_deliver函数./net/ipv4/ip_input.c


8)ip_local_deliver、ip_local_deliver_finish:入口参数skb存放需要传送到上层协议的数据,从 ip头中获取是否已经分拆的信息,如果已经分拆,则调用函数ip_defrag将数据包重组。然后通过调用ip_prot->handler指针调用tcp_v4_rcv(tcp)。ip_prot是inet_protocol结构指针,是用来ip层登记协议的，比如由udp,tcp,icmp等协议。 /net/ipv4/ip_input.c