【Linux 内核网络协议栈源码剖析】sendto 函数剖析

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

 #include
 ssize_t sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,
                const struct sockaddr *to, socklen_t *addrlen);
 //若成功则返回写的字节数，出错则返回-1
 /*参数解析
 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。
 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
 */

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

 /*
  *  Send a datagram to a given address. We move the address into kernel
  *  space and check the user space data area is readable before invoking
  *  the protocol.
  */
 //发送数据给指定的远端地址，主要用于UDP协议
 //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
 //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
 //其大小由addr_len参数指定
 //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
 static int sock_sendto(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,
        struct sockaddr *addr, int addr_len)
 {
     struct socket *sock;
     struct file *file;
     char address[MAX_SOCK_ADDR];
     int err;
     //参数有效性检查
     if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))
         return(-EBADF);
     //找到给定文件描述符对应的socket结构
     if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL)))
         return(-ENOTSOCK);

     if(len<0)
         return -EINVAL;
     //检查权限，buff中len个字节区域是否可读
     err=verify_area(VERIFY_READ,buff,len);
     if(err)
         return err;
     //从addr拷贝addr_len大小的数据到address
     if((err=move_addr_to_kernel(addr,addr_len,address))<0)
         return err;
     //调用下层函数sendto,inet域为inet_sendto函数
     return(sock->ops->sendto(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),
         flags, (struct sockaddr *)address, addr_len));
 }

三、INET Socket层——inet_sendto 函数

 //INET socket层
 tatic int inet_sendto(struct socket *sock, void *ubuf, int size, int noblock,
     unsigned flags, struct sockaddr *sin, int addr_len)

    //得到socket对应的sock结构
 struct sock *sk = (struct sock *) sock->data;
 //判断该套接字的有效性，是否处于关闭状态(半关闭)
 if (sk->shutdown & SEND_SHUTDOWN)
 {
     send_sig(SIGPIPE, current, 1);
     return(-EPIPE);
 }
 if (sk->prot->sendto == NULL)
     return(-EOPNOTSUPP);
 if(sk->err)
     return inet_error(sk);
 /* We may need to bind the socket. */
 //自动绑定一个本地端口号
 if(inet_autobind(sk)!=0)
     return -EAGAIN;
 //调用下层传输层函数udp_sendto函数
 return(sk->prot->sendto(sk, (unsigned char *) ubuf, size, noblock, flags,
            (struct sockaddr_in *)sin, addr_len));

四、传输层

udp_sento 函数

 static int udp_sendto(struct sock *sk, unsigned char *from, int len, int noblock,
        unsigned flags, struct sockaddr_in *usin, int addr_len)
 {
     struct sockaddr_in sin;
     int tmp;

     /*
      *  Check the flags. We support no flags for UDP sending
      */
      //udp除了MSG_DONTROUTE外，不支持任何其他标志位
     if (flags&~MSG_DONTROUTE)
         return(-EINVAL);
     /*
      *  Get and verify the address.
      */
     //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

     if (usin)
     {
     //如果明确指定远端地址，就直接检查该地址的有效性
         if (addr_len < sizeof(sin)) //大小
             return(-EINVAL);
         memcpy(&sin,usin,sizeof(sin));
         if (sin.sin_family && sin.sin_family != AF_INET) //本地地址有效性
             return(-EINVAL);
         if (sin.sin_port == 0) //端口号有效性
             return(-EINVAL);
     }
     else
     {
     //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
         if (sk->state != TCP_ESTABLISHED)
             return(-EINVAL);
         //如果进行了绑定，则将远端地址设置为这个绑定的地址
         sin.sin_family = AF_INET;
         sin.sin_port = sk->dummy_th.dest;
         sin.sin_addr.s_addr = sk->daddr;
     }

     /*
      *  BSD socket semantics. You must set SO_BROADCAST to permit
      *  broadcasting of data.
      */
     //处理尚未指定本地地址的情况
     if(sin.sin_addr.s_addr==INADDR_ANY)
         sin.sin_addr.s_addr=ip_my_addr();

     //处理广播的情况
     if(!sk->broadcast && ip_chk_addr(sin.sin_addr.s_addr)==IS_BROADCAST)
             return -EACCES;         /* Must turn broadcast on first */

     sk->inuse = 1;//加锁

     /* Send the packet. */
     //转调用udp_send函数
     tmp = udp_send(sk, &sin, from, len, flags);

     /* The datagram has been sent off.  Release the socket. */
     //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
     //取决于sk_dead字段是否设置
     release_sock(sk);
     return(tmp);
 }

udp_send 函数

  //根据被调用出清楚参数情况
 static int udp_send(struct sock *sk, struct sockaddr_in *sin,
      unsigned char *from, int len, int rt)
 {
     struct sk_buff *skb;
     struct device *dev;
     struct udphdr *uh;
     unsigned char *buff;
     unsigned long saddr;
     int size, tmp;
     int ttl;

     /*
      *  Allocate an sk_buff copy of the packet.
      */
     //计算所需要分配的封装数据的缓冲区大小
     size = sk->prot->max_header + len;
     //分配指定大小的sk_buff 结构用于封装数据
     skb = sock_alloc_send_skb(sk, size, 0, &tmp);


     if (skb == NULL)
         return tmp;

     skb->sk       = NULL;    /* to avoid changing sk->saddr */
     skb->free     = 1;//发送完后数据包立即释放，udp不提供超时重传
     skb->localroute = sk->localroute|(rt&MSG_DONTROUTE);//指定路由类型

     /*
      *  Now build the IP and MAC header.
      */

     buff = skb->data;//udp首部和有效负载
     saddr = sk->saddr;//本地地址
     dev = NULL;
     ttl = sk->ip_ttl;
 #ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
     //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

     if (MULTICAST(sin->sin_addr.s_addr))
         ttl = sk->ip_mc_ttl;
 #endif
     //创建MAC首部和IP首部
     tmp = sk->prot->build_header(skb, saddr, sin->sin_addr.s_addr,
             &dev, IPPROTO_UDP, sk->opt, skb->mem_len,sk->ip_tos,ttl);

     skb->sk=sk;//关联  /* So memory is freed correctly */

     /*
      *  Unable to put a header on the packet.
      */

     if (tmp < 0 ) //创建失败
     {
         sk->prot->wfree(sk, skb->mem_addr, skb->mem_len);
         return(tmp);
     }

     buff += tmp;//定位到udp首部位置
     saddr = skb->saddr; /*dev->pa_addr;*/
     //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
     skb->len = tmp + sizeof(struct udphdr) + len;    /* len + UDP + IP + MAC */
     skb->dev = dev;//网络接口设备

     /*
      *  Fill in the UDP header.
      */
     //udp首部字段的初始化
     uh = (struct udphdr *) buff;
     uh->len = htons(len + sizeof(struct udphdr));//长度字段
     uh->source = sk->dummy_th.source;//源端端口，sk中tcp首部字段
     uh->dest = sin->sin_port;//目的端口
     buff = (unsigned char *) (uh + 1);//定位到数据部分
     //MAC header | IP Header | UDP Header | Data
     //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

     /*
      *  Copy the user data.
      */
     //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
     //然后通过数据包整体打包发送出去。
     //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。
     memcpy_fromfs(buff, from, len);

     /*
      *  Set up the UDP checksum.
      */
     //同tcp，这里进行udp校验和检查
     udp_send_check(uh, saddr, sin->sin_addr.s_addr, skb->len - tmp, sk);

     /*
      *  Send the datagram to the interface.
      */

     udp_statistics.UdpOutDatagrams++;
     //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
     //该函数以及更下层数据传送前面已经介绍，
     sk->prot->queue_xmit(sk, dev, skb, 1);
     return(len);
 }

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。