浅谈socket

      在上一篇看tc的实现原理的时候，无意间把socket的代码看了下，至于socket的系统调用如何关联这里不说了，记得之前也分析过.这里讲讲其他东西. 
     函数原型：
      int socket(int domain, int type, int protocol);
参数说明：
domain：协议域，又称协议族（family）。常用的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域Socket）、AF_ROUTE等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定Socket类型。常用的socket类型有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等。流式Socket（SOCK_STREAM）是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用。数据报式Socket（SOCK_DGRAM）是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。RAW为自定义报文格式.
protocol：指定协议。常用协议有IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。
注意：1.type和protocol不可以随意组合，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当第三个参数为0时，会自动选择第二个参数类型对应的默认协议。

返回值：
如果调用成功就返回新创建的套接字的描述符，如果失败就返回INVALID_SOCKET（Linux下失败返回-1）。套接字描述符是一个整数类型的值。每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表，该表中存放着套接字描述符和套接字数据结构的对应关系。该表中有一个字段存放新创建的套接字的描述符，另一个字段存放套接字数据结构的地址，因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字数据结构。每个进程在自己的进程空间里都有一个套接字描述符表但是套接字数据结构都是在操作系统的内核缓冲里

通过type我们了解到常用的socket基本就三种，
面向连接的  sock_stream ---- tcp
无连接的     sock_dgram ----- udp
raw自定义.  sock_raw   ----- 自定义
创建socket还不够，还需要发送和接收的处理，这里就拿发送为例. 比如tcp的发送：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
void send()
{
struct sockaddr_in serv_addr;
int sock_fd;
char line[15] = "Hello world!";
int size = 13;
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
serv_addr.sin_port = htons(5000);
sock_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);
connect(sock_fd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
send(sock_fd, line, size, 0);
close(sock_fd);
}

send，sendto以及sendmsg系统调用用于发送消息到另一个套接字。
send函数在套接字处于连接状态时方可使用。
而sendto和sendmsg在任何时候都可使用.
还有一个接口：sendmmsg - send multiple messages on a socket

先看看tcp是如何发送数据包的吧.
在net/socket.c中，我们看到了常用的发送数据的函数的系统调用的内核实现.
不论send、sendto、sendmsg

socket.c
sendmsg--->(系统调用)__sys_sendmsg--->sock_sendmsg(常用)/sock_sendmsg_nosec
Sendto----->sock_sendmsg
Send ------>sys_sendto--->sock_sendmsg

sock_sendmsg --->__sock_sendmsg ---->security_socket_sendmsg/__sock_sendmsg_nosec
显然默认为：sock->ops->sendmsg ；security的前提是初始化了security_ops （security.c）
那么这个sock->ops->sendmsg是什么呢
我们看看sock和ops分别是什么

/**
 * struct socket - general BSD socket
 * @state: socket state (%SS_CONNECTED, etc)
 * @type: socket type (%SOCK_STREAM, etc)
 * @flags: socket flags (%SOCK_ASYNC_NOSPACE, etc)
 * @ops: protocol specific socket operations
 * @file: File back pointer for gc
 * @sk: internal networking protocol agnostic socket representation
 * @wq: wait queue for several uses
 */
struct socket {
    socket_state        state;

    kmemcheck_bitfield_begin(type);
    short            type;
    kmemcheck_bitfield_end(type);

    unsigned long        flags;

    struct socket_wq __rcu    *wq;

    struct file        *file;
    struct sock        *sk;
    const struct proto_ops    *ops;
};

那么我们需要找到内核注册的ops即谁和socket的type关联了.

Af_inet.c (net\ipv4):const struct proto_ops inet_stream_ops = {
Af_inet.c (net\ipv4):const struct proto_ops inet_dgram_ops =
Af_inet.c (net\ipv4):static const struct proto_ops inet_sockraw_ops = {
Af_packet.c (net\packet):static const struct proto_ops packet_ops = {

针对tcp的肯定是stream的即struct proto_ops inet_stream_ops
.sendmsg   = inet_sendmsg,

int inet_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
         size_t size)
{
    struct sock *sk = sock->sk;

    sock_rps_record_flow(sk);

    /* We may need to bind the socket. */
    if (!inet_sk(sk)->inet_num && !sk->sk_prot->no_autobind &&
        inet_autobind(sk))
        return -EAGAIN;

    return sk->sk_prot->sendmsg(iocb, sk, msg, size);
}

看看sk->sk_prot->sendmsg,这个是找到具体的sendmsg.

struct sock {
    /*
     * Now struct inet_timewait_sock also uses sock_common, so please just
     * don't add nothing before this first member (__sk_common) --acme
     */
    struct sock_common    __sk_common;

#define sk_prot            __sk_common.skc_prot

在创建socket的时候调用到内核af_inet.c   inet_create 里 sk->sk_prot->init

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

很显然在inet_create的时候关联具体的协议操作（tcp_ops/udp_Ops/raw_ops/packet_ops）,它查询全局链表inetsw_array. 注册接口是inet_register_protosw

我们看看af_inet.c:

static int __init inet_init(void)
{
    struct sk_buff *dummy_skb;
    struct inet_protosw *q;
    struct list_head *r;
    int rc = -EINVAL;

    BUILD_BUG_ON(sizeof(struct inet_skb_parm) > sizeof(dummy_skb->cb));

    sysctl_local_reserved_ports = kzalloc(65536 / 8, GFP_KERNEL);
    if (!sysctl_local_reserved_ports)
        goto out;

    rc = proto_register(&tcp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_free_reserved_ports;

    rc = proto_register(&udp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_tcp_proto;

    rc = proto_register(&raw_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_udp_proto;

    rc = proto_register(&ping_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_raw_proto;

    /*
     *    Tell SOCKET that we are alive...
     */

    (void)sock_register(&inet_family_ops);

#ifdef CONFIG_SYSCTL
    ip_static_sysctl_init();
#endif

    tcp_prot.sysctl_mem = init_net.ipv4.sysctl_tcp_mem;

    /*
     *    Add all the base protocols.
     */

    if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add ICMP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add UDP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol\n", __func__);
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
    if (inet_add_protocol(&igmp_protocol, IPPROTO_IGMP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add IGMP protocol\n", __func__);
#endif

    /* Register the socket-side information for inet_create. */
    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);

    /*
     *    Set the ARP module up
     */

    arp_init();

    /*
     *    Set the IP module up
     */

    ip_init();

    tcp_v4_init();

    /* Setup TCP slab cache for open requests. */
    tcp_init();

    /* Setup UDP memory threshold */
    udp_init();

    /* Add UDP-Lite (RFC 3828) */
    udplite4_register();

    ping_init();

    /*
     *    Set the ICMP layer up
     */

    if (icmp_init() < 0)
        panic("Failed to create the ICMP control socket.\n");

    /*
     *    Initialise the multicast router
     */
#if defined(CONFIG_IP_MROUTE)
    if (ip_mr_init())
        pr_crit("%s: Cannot init ipv4 mroute\n", __func__);
#endif
    /*
     *    Initialise per-cpu ipv4 mibs
     */

    if (init_ipv4_mibs())
        pr_crit("%s: Cannot init ipv4 mibs\n", __func__);

    ipv4_proc_init();

    ipfrag_init();

    dev_add_pack(&ip_packet_type);

    rc = 0;
out:
    return rc;
out_unregister_raw_proto:
    proto_unregister(&raw_prot);
out_unregister_udp_proto:
    proto_unregister(&udp_prot);
out_unregister_tcp_proto:
    proto_unregister(&tcp_prot);
out_free_reserved_ports:
    kfree(sysctl_local_reserved_ports);
    goto out;
}

sock_register注册socket协议句柄到net_families[famliy]; 它注册了inet_stream_ops、inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops、packet_ops.

static int __init inet_init(void)
分两部分：(sock ---> inet --->. ....)
1. rc = proto_register(&tcp_prot, 1);  // tcp/upd/raw/ping 
2. inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP)   //  tcp/udp/icmp/igmp
显然2中是注册了tcp的接收处理，就像dev_add_pack一样会注册ip接收函数一样.
而1则注册了tcp协议发送方面的东西.

/* Networking protocol blocks we attach to sockets.
 * socket layer -> transport layer interface
 * transport -> network interface is defined by struct inet_proto
 */
struct proto {

struct proto udp_prot

Inet层：

/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into
 * the linked list inetsw.
 */
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
    {
        .type = SOCK_STREAM,
        .protocol = IPPROTO_TCP,
        .prot = &tcp_prot,
        .ops = &inet_stream_ops,
        .no_check = 0,
        .flags = INET_PROTOSW_PERMANENT |
                  INET_PROTOSW_ICSK,
    },

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

       {
        .type = SOCK_DGRAM,
        .protocol = IPPROTO_ICMP,
        .prot = &ping_prot,
        .ops = &inet_dgram_ops,
        .no_check = UDP_CSUM_DEFAULT,
        .flags = INET_PROTOSW_REUSE,
       },

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

/* This is used to register socket interfaces for IP protocols. */
struct inet_protosw {
    struct list_head list;

        /* These two fields form the lookup key. */
    unsigned short     type;     /* This is the 2nd argument to socket(2). */
    unsigned short     protocol; /* This is the L4 protocol number. */

    struct proto     *prot;
    const struct proto_ops *ops;

    char             no_check; /* checksum on rcv/xmit/none? */
    unsigned char     flags; /* See INET_PROTOSW_* below. */
}

最后会关联到tcp_sendmsg.  我们都熟悉tcp协议，首先要建立连接 三次握手 ， 协商mss.
我们再看这个函数的时候，很明显它会先去协商一个mss值，然后再发送消息。Mtu （之前文章里也讲过mss与mtu）

下面就涉及两个问题：

1. Tcp分片 ，它根据mss

窗口大小
    用于流控制(确保连接的任何一方都不会过快地发送过量的分组而淹没另一方)，窗口大小指定了从被确认的字节算起可以发送多少个字节
选项
    选项部分是为了适合复杂网络环境和更好地服务于应用层设计的。TCP选项最长是40字节。详情见2.2。
数据
    无任何数据的TCP段也是合法的，通常用于确认和控制信息
选项字段[2]
    TCP选项部分很好出现在已经建立连接的会话中，只要出现在TCP连接建立阶段，即三次握手。TCP选项部分实际运用有以下几种
(1)最大报文传输段(MMS, Maximum Segment Size)
    用于发送发与接收方协商最大报文段长度(仅仅是净荷数据，不包括TCP首部字段)。TCP在三次握手中，每一方都会通告期望收到的MSS(MSS只出现在SYN数据包中)，
如果一方不接受另一方的MSS值，则使用默认的536字节净荷数据，即主机能够接受20+536字节的TCP报文段。
(2)窗口扩大选项(Window scaling)
    TCP报文的窗口大小字段占16位，即最大值是65535，但随着时延和带宽比较大的通信产生(如卫星通信)，需要更大的窗口满足性能和吞吐率，这就是窗口扩大选项存
在的意义。
Windows scaling占3个字节，最后一个字节是移位值(Shift count)，即首部的窗口位数16向左移动，如移位值为14，则新的窗口最大值增大到65535*(2^14)。
 窗口扩大选项是在TCP建立之初进行协商，如果已实现了窗口扩大，当不再需要扩大窗口时，发送移位值=0就可以恢复到原窗口大小，即65535
(3)选择确认选项(SACK, Selective Acknowledgements)
    考虑这样情况，主机A发送报文段12345，主机B收到135且报文无差错，SACK用来确保只重传缺少的报文段，而不是重传所有报文段。
SACK选项需要2个功能字节，一个用来指明使用SACK选项(SACK Permission)，另一指明这个选项占多少字节
 那怎么形容丢失的报文段2，说明2的左右边界分别是1、3。TCP的数据报文是有字块边界的，而这种边界是由序列号表示的
 最多能指明多少个字节块的边界信息呢？答案是4个。这是因为选项字段最大是40字节，去除2个功能字节，序列号是32位即4字节，并且需要左右边界，所以(40-2)/8 = 4。
(4)时间戳选项(timestamps)
    时间戳选项用来计算往返时间RTT，发送方在发送报文段时把当前时钟的时间值放入时间戳字段，接收方将该时间戳字段的值复制到确认报文中，当接收方收到确认报文，
对比确认报文的时间戳(等于发送方发送报文段的时间戳)和现在的时钟，即可算出RTT
时间戳选项还可用于防止回绕序号PAWS。序列号只有32位，每2^32个序列号就会回绕(想想环形队列)，采用时间戳选项很容易区分相同序列号的报文段。
(5)NOP(NO-Operation)
    TCP的头部必须是4字节的倍数，而大多数选项不是4字节倍数，不足的用NOP填充。除此之外，NOP也用于分割不同的选项数据，如窗口扩大选项
和SACK之间使用NOP隔离(下面的实例将看到这一点)

先确定mss大小：
Tcp_ipv4.c (net\ipv4): sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4;  tcp connect函数调用
Tcp_ipv4.c (net\ipv4): newsk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4; // 收到确认ack时
tcp_v4_syn_recv_sock（三次握手已经完成，异步接收）

enum {
    SKB_GSO_TCPV4 = 1 << 0,
    SKB_GSO_UDP = 1 << 1,

    /* This indicates the skb is from an untrusted source. */
    SKB_GSO_DODGY = 1 << 2,

    /* This indicates the tcp segment has CWR set. */
    SKB_GSO_TCP_ECN = 1 << 3,

    SKB_GSO_TCPV6 = 1 << 4,

    SKB_GSO_FCOE = 1 << 5,
};

同样在tcp  connect函数里
sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
---> tcp_v4_connect
/* OK, now commit destination to socket.  */
  sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4;
sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
在判断：
static inline bool sk_can_gso(const struct sock *sk)
{
return net_gso_ok(sk->sk_route_caps, sk->sk_gso_type);
}
时
sk->sk_route_caps来自：
sk->sk_route_caps = dst->dev->features; 
而dev->features则是在具体网卡驱动初始化的时候初始化的。
主要是判断了网卡是否支持gso。

2. Ip分片 它根据网卡的mtu