Linux内核网络协议栈4－创建socket（续）

接上篇“创建socket” 一文；

 

5、分配sock结构：

本文中的例子会调用inet_family_ops.create方法即inet_create方法完成socket的创建工作；其调用链如下：

net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net/ipv4/Af_inet.c:inet_create()；

inet_create()主要完成以下几个工作：

1) 设置socket的状态为SS_UNCONNECTED；

sock->state = SS_UNCONNECTED;

 

2) 根据socket的type找到对应的套接字类型：

list_for_each_rcu(p, &inetsw[sock->type]) {
    answer = list_entry(p, struct inet_protosw, list);

    /* Check the non-wild match. */
    if (protocol == answer->protocol) {
        if (protocol != IPPROTO_IP)
            break;
    } else {
        /* Check for the two wild cases. */
        if (IPPROTO_IP == protocol) {
            protocol = answer->protocol;
            break;
        }
        if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
            break;
    }
    err = -EPROTONOSUPPORT;
    answer = NULL;
}

由于同一type不同protocol的套接字保存在inetsw中的同一链表中，因此需要遍历链表来查找；在上面的例子中，会将protocol重新赋值为answer->protocol，即IPPROTO_TCP，其值为6；

3) 使用匹配的协议族操作集初始化socket；

sock->ops = answer->ops;
answer_prot = answer->prot;// 供后面使用

结合例子，sock变量的ops指向inet_stream_ops结构体变量；

4) 分配sock结构体变量net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net/ipv4/Af_inet.c:inet_create()->net/core/Sock.c:sk_alloc()：

sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot);

其中，answer_prot指向tcp_prot结构体变量；

struct sock *sk_alloc(struct net *net, int family, gfp_t priority, struct proto *prot) {
	struct sock *sk;

	sk = sk_prot_alloc(prot, priority | __GFP_ZERO, family);
	if (sk) {
		sk->sk_family = family;

		sk->sk_prot = sk->sk_prot_creator = prot;
		sock_lock_init(sk);
		sock_net_set(sk, get_net(net));
	}

	return sk;
}

其中，sk_prot_alloc分配sock结构体变量；由于在inet_init中为不同的套接字分配了高速缓冲区，因此该sock结构体变量会在该缓冲区中分配空间；分配完成后，对其做一些初始化工作：
i) 初始化sk变量的sk_prot和sk_prot_creator；
ii) 初始化sk变量的等待队列；
iii) 设置net空间结构，并增加引用计数；

6、建立socket结构与sock结构的关系：
1) socket, sock, inet_sock, tcp_sock的关系
创建完sk变量后，回到inet_create函数中：

inet = inet_sk(sk);
static inline struct inet_sock *inet_sk(const struct sock *sk)
{
	return (struct inet_sock *)sk;
}

这里是根据sk变量得到inet_sock变量的地址；细心的同学可能会问到：inet_sock是什么？之前分配的是sock变量，与inet_sock有什么关系啊？
a. struct socket：这个是基本的BSD socket，应用程序通过系统调用开始创建的socket都是该结构体，它是基于虚拟文件系统创建出来的；
类型主要有三种，即流式、数据报、原始套接字协议；
其状态比较粗粒度，如下：

typedef enum {
	SS_FREE = 0,			/* not allocated		*/
	SS_UNCONNECTED,			/* unconnected to any socket	*/
	SS_CONNECTING,			/* in process of connecting	*/
	SS_CONNECTED,			/* connected to socket		*/
	SS_DISCONNECTING		/* in process of disconnecting	*/
} socket_state;

b. struct sock：它是网络层的socket；对应有TCP、UDP、RAW三种；
其状态相比socket结构更精细：

enum {
	TCP_ESTABLISHED = 1,
	TCP_SYN_SENT,
	TCP_SYN_RECV,
	TCP_FIN_WAIT1,
	TCP_FIN_WAIT2,
	TCP_TIME_WAIT,
	TCP_CLOSE,
	TCP_CLOSE_WAIT,
	TCP_LAST_ACK,
	TCP_LISTEN,
	TCP_CLOSING,	/* Now a valid state */

	TCP_MAX_STATES	/* Leave at the end! */
};

c. struct inet_sock：它是INET域的socket表示，是对struct sock的一个扩展，提供INET域的一些属性，如TTL，组播列表，IP地址，端口等；
d. struct raw_socket：它是RAW协议的一个socket表示，是对struct inet_sock的扩展，它要处理与ICMP相关的内容；
e. sturct udp_sock：它是UDP协议的socket表示，是对struct inet_sock的扩展；
f. struct inet_connection_sock：它是所有面向连接的socket表示，是对struct inet_sock的扩展；
g. struct tcp_sock：它是TCP协议的socket表示，是对struct inet_connection_sock的扩展，主要增加滑动窗口，拥塞控制一些TCP专用属性；
h. struct inet_timewait_sock：它是网络层用于超时控制的socket表示；
i. struct tcp_timewait_sock：它是TCP协议用于超时控制的socket表示；

上面简单介绍了一下内核中不同的socket相关的结构体的作用；回到inet_create函数中：

inet = inet_sk(sk);

这里为什么能直接将sock结构体变量强制转化为inet_sock结构体变量呢？只有一种可能，那就是在分配sock结构体变量时，真正分配的是inet_sock或是其他结构体；

我们回到分配sock结构体的那块代码(参考前面的5.4小节：net/core/Sock.c)：

static struct sock *sk_prot_alloc(struct proto *prot, gfp_t priority, int family) {
	struct sock *sk;
	struct kmem_cache *slab;

	slab = prot->slab;
	if (slab != NULL)
		sk = kmem_cache_alloc(slab, priority);
	else
		sk = kmalloc(prot->obj_size, priority);

	return sk;
}

上面的代码在分配sock结构体时，有两种途径，一是从tcp专用高速缓存中分配；二是从内存直接分配；前者在初始化高速缓存时，指定了结构体大小为prot->obj_size；后者也有指定大小为prot->obj_size，
根据这点，我们看下tcp_prot变量中的obj_size(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)：

.obj_size		= sizeof(struct tcp_sock),

也就是说，分配的真实结构体是tcp_sock；由于tcp_sock、inet_connection_sock、inet_sock、sock之间均为0处偏移量，因此可以直接将tcp_sock直接强制转化为inet_sock；这几个结构体间的关系如下：

2) 建立socket, sock的关系
创建完sock变量之后，便是初始化sock结构体，并建立sock与socket之间的引用关系；调用链如下：
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net/ipv4/Af_inet.c:inet_create()->net/core/Sock.c:sock_init_data()：
该函数主要工作是：
a. 初始化sock结构的缓冲区、队列等；
b. 初始化sock结构的状态为TCP_CLOSE；
c. 建立socket与sock结构的相互引用关系；

7、使用tcp协议初始化sock：
inet_create()函数最后，通过相应的协议来初始化sock结构：

if (sk->sk_prot->init) {
    err = sk->sk_prot->init(sk);
    if (err)
        sk_common_release(sk);
}

例子中，这里调用的是tcp_prot的init钩子函数net/ipv4/Tcp_ipv4.c:tcp_v4_init_sock()，它主要是对tcp_sock和inet_connection_sock进行一些初始化；

8、socket与文件系统关联：
回到net/Socket.c:sys_socket()函数：

asmlinkage long sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
	int retval;
	struct socket *sock;

	retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
	if (retval < 0)
		goto out;

	retval = sock_map_fd(sock);
	if (retval < 0)
		goto out_release;

out:
	/* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */
	return retval;

out_release:
	sock_release(sock);
	return retval;
}

创建好与socket相关的结构后，需要与文件系统关联，详见sock_map_fd()函数：
1) 申请文件描述符，并分配file结构和目录项结构；
2) 关联socket相关的文件操作函数表和目录项操作函数表；
3) 将file->private_date指向socket；

socket与文件系统关联后，以后便可以通过文件系统read/write对socket进行操作了；

小结：
1、socket库函数通过内核创建socket，并初始化其状态为TCP_CLOSE；
2、创建完后，与文件系统关联，其文件一般位于/proc/$pid/fd/目录下；
3、应用程序可以通过文件对socket进行操作；