Linux内核网络协议栈3－创建socket

 

1、示例及函数入口：
1) 示例代码如下：

int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

2) 入口：
net/Socket.c:sys_socketcall()，根据子系统调用号，创建socket会执行sys_socket()函数；

2、分配socket结构：
1) 调用链：
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->sock_alloc()；

2) 在socket文件系统中创建i节点：

inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);

其中，sock_mnt为socket文件系统的根节点，是在内核初始化安装socket文件系统时赋值的，mnt_sb是该文件系统安装点的超级块对象的指针；
这里，new_inode函数是文件系统的通用函数，其作用是在相应的文件系统中创建一个inode；其主要代码如下(fs/Inode.c)：

struct inode *new_inode(struct super_block *sb) {
	struct inode * inode;
	inode = alloc_inode(sb);
	…...
	return inode;
}

这里调用了alloc_inode函数分配inode结构(fs/Inode.c)：

static struct inode *alloc_inode(struct super_block *sb) {
	struct inode *inode;

	if (sb->s_op->alloc_inode)
		inode = sb->s_op->alloc_inode(sb);
	else
		inode = (struct inode *) kmem_cache_alloc(inode_cachep, GFP_KERNEL);
            …...
}

上面有个条件判断：if (sb->s_op->alloc_inode)，意思是说如果当前文件系统的超级块有自己分配inode的操作函数，则调用它自己的函数分配inode，否则从公用的高速缓存区中分配一块inode；

3) 创建socket专用inode：
在 “socket文件系统注册” 一文中后面提到，在安装socket文件系统时，会初始化该文件系统的超级块，此时会初始化超级块的操作指针s_op为sockfs_ops结构；因此此时分配inode会调用sock_alloc_inode函数来完成：

static struct inode *sock_alloc_inode(struct super_block *sb) {
	struct socket_alloc *ei;
	ei = kmem_cache_alloc(sock_inode_cachep, GFP_KERNEL);
	…...
	return &ei->vfs_inode;
}

从这里可以看到，实际上分配了一个socket_alloc结构体，该结构体包含socket和inode：

struct socket_alloc {
	struct socket socket;
	struct inode vfs_inode;
};

但最终返回的是该结构体中的inode成员；至此，socket结构和inode结构均分配完毕；分配inode后，应用程序便可以通过文件描述符对socket进行read()/write()之类的操作，这个是由虚拟文件系统(VFS)来完成的。

3、根据inode取得socket对象：
由于创建inode是文件系统的通用逻辑，因此其返回值是inode对象的指针；但这里在创建socket的inode后，需要根据inode得到socket对象；内联函数SOCKET_I由此而来：

static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode)
{
	return &container_of(inode, struct socket_alloc, vfs_inode)->socket;
}

再看看container_of宏(include/linux/Kernel.h)：

#define container_of(ptr, type, member) ({			\
	const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);	\
	(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

和offsetof宏(include/linux/Stddef.h)：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

1) offerset(TYPE, MEMBER)宏的作用：返回MEMBER成员在结构体TYPE中的偏移量；
先看一下例子，假设有个结构体A如下：

struct struct_A {
    char a;
    int b;
}

其中，成员a相对于结构的偏移量为0，成员b相对于结构体的偏移量为1；结构体struct_A的变量m在内存中地址结构如下：

我们再来看offset宏：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

可以这样来理解，把0地址强制转化为TYPE结构的指针，然后再拿到MEMBER成员的地址，该地址正好等于MEMBER成员在结构体TYPE中的偏移量；
还是拿上面的例子来说吧，如下图，offset(struct_A, b)的值为1，正好等于其偏移量；
如下图所示：

2) container_of(ptr, type, member)宏的作用：返回ptr指针所在的结构体；其中ptr为结体体type的变量中member成员的指针；
再来看看它的实现：

#define container_of(ptr, type, member) ({			\
	const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);	\
	(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

将ptr指针转化为char *，然后减去其在结构体中的偏移量，得到的是ptr所在的结构体的地址，最后强制转换成type *；

回到sock_alloc函数，SOCKET_I根据inode取得socket变量后，记录当前进程的一些信息，如fsuid, fsgid，并增加sockets_in_use的值(该变量表示创建socket的个数)；创建后socket变量后，在__sock_create()函数中设置其type为应用程序传递下来的type，上面的例子中即为SOCK_STREAM；

4、使用协议族来初始化socket：
1) 协议族的概念：
协议族是由多个协议组成的一个通信协议栈， 如我们最熟悉的TCP/IP（AF_INET因特网协议族）包括TCP，IP，ICMP，ARP等协议；

2) Linux支持的协议族：

Linux2.6.26中支持33个协议域，在net/Socket.c中定义全局变量：

static const struct net_proto_family *net_families[NPROTO] __read_mostly;

在/include/linux/socket.h中定义了每个协议域的宏，每个协议域占用该数组的一项，如AF_INET占用net_families[2]，如果net_families[2]=null，则说明当前内核没有注册AF_INET模块；

3) 注册AF_INET协议域：

 

在“socket文件系统注册”中提到系统初始化的工作，AF_INET的注册也正是通过这个来完成的；

初始化入口net/ipv4/Af_inet.c：

fs_initcall(inet_init);
static int __init inet_init(void) {
	…...
	// 为不同的套接字分配高速缓冲区
	rc = proto_register(&tcp_prot, 1);
	rc = proto_register(&udp_prot, 1);
	rc = proto_register(&raw_prot, 1);
	…...
	(void)sock_register(&inet_family_ops);
            …...
	/* 将所有的socket类型按type通过inetsw管理起来 */
	for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
		INIT_LIST_HEAD(r);

	for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
		inet_register_protosw(q);
            …...
}

 

这里调用sock_register函数来完成注册：

 

int sock_register(const struct net_proto_family *ops) {
	int err;
	…...
	if (net_families[ops->family])
		err = -EEXIST;
	else {
		net_families[ops->family] = ops;
		err = 0;
	}
            …...
}

根据family将AF_INET协议域inet_family_ops注册到内核中的net_families数组中；下面是其定义：

static struct net_proto_family inet_family_ops = {
	.family = PF_INET, 
	.create = inet_create,
	.owner	= THIS_MODULE,
};

其中，family指定协议域的类型，create指向相应协议域的socket的创建函数；

4) 套接字类型

在相同的协议域下，可能会存在多个套接字类型；如AF_INET域下存在流套接字(SOCK_STREAM)，数据报套接字(SOCK_DGRAM)，原始套接字（SOCK_RAW），在这三种类型的套接字上建立的协议分别是TCP, UDP，ICMP/IGMP等。

在Linux内核中，结构体struct proto表示域中的一个套接字类型，它提供该类型套接字上的所有操作及相关数据(在内核初始化时会分配相应的高速缓冲区，见上面提到的inet_init函数)。

AF_IENT域的这三种套接字类型定义用结构体inet_protosw(net/ipv4/Af_inet.c)来表示，如下：

static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
	{
		.type =       SOCK_STREAM,
		.protocol =   IPPROTO_TCP,
		.prot =       &tcp_prot,
		.ops =        &inet_stream_ops,
		.capability = -1,
		.no_check =   0,
		.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
			      INET_PROTOSW_ICSK,
	},

	{
		.type =       SOCK_DGRAM,
		.protocol =   IPPROTO_UDP,
		.prot =       &udp_prot,
		.ops =        &inet_dgram_ops,
		.capability = -1,
		.no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
		.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },


       {
	       .type =       SOCK_RAW,
	       .protocol =   IPPROTO_IP,	/* wild card */
	       .prot =       &raw_prot,
	       .ops =        &inet_sockraw_ops,
	       .capability = CAP_NET_RAW,
	       .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
	       .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

其中，tcp_prot(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)、udp_prot(net/ipv4/Udp.c)、raw_prot(net/ipv4/Raw.c)分别表示三种类型的套接字，分别表示相应套接字的操作和相关数据；ops成员提供该协议域的全部操作集合，针对三种不同的套接字类型，有三种不同的域操作inet_stream_ops、inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops，其定义均位于net/ipv4/Af_inet.c下；

内核初始化时，在inet_init中，会将不同的套接字存放到全局变量inetsw中统一管理；inetsw是一个链表数组，每一项都是一个struct inet_protosw结构体的链表，总共有SOCK_MAX项，在inet_init函数对AF_INET域进行初始化的时候，调用函数inet_register_protosw把数组inetsw_array中定义的套接字类型全部注册到inetsw数组中；其中相同套接字类型，不同协议类型的套接字通过链表存放在到inetsw数组中，以套接字类型为索引，在系统实际使用的时候，只使用inetsw，而不使用inetsw_array；

5) 使用协议域来初始化socket

 

了解了上面的知识后，我们再回到net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()中：

const struct net_proto_family *pf;
…...
pf = rcu_dereference(net_families[family]);
err = pf->create(net, sock, protocol);

上面的代码中，找到内核初始化时注册的协议域，然后调用其create方法；

 

 

未完，下一篇blog待续；