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2011年(24)

分类: LINUX

2011-08-18 11:27:17

用户使用socket系统调用编写应用程序时,通过一个数字来表示一个socket,所有的操作都在该数字上进行,这个数字称为套接字描述符。在系统调用 的实现函数里,这个数字就会被映射成一个表示socket的结构体,该结构体保存了该socket的所有属性和数据。在内核的协议中实现中,关于表示 socket的结构体,是一个比较复杂的东西,下面一一介绍。
    struct socket。
    这是一个基本的BSD socket,我们调用socket系统调用创建的各种不同类型的socket,开始创建的都是它,到后面,各种不同类型的socket在它的基础上进行 各种扩展。struct socket是在虚拟文件系统上被创建出来的,可以把它看成一个文件,是可以被安全地扩展的。下面是其完整定义:
    struct socket {
        socket_state            state;
        unsigned long           flags;
        const struct proto_ops *ops;
        struct fasync_struct    *fasync_list;
        struct file             *file;
        struct sock             *sk;
        wait_queue_head_t       wait;
        short                   type;
    };
    state用于表示socket所处的状态,是一个枚举变量,其类型定义如下:
    typedef enum {
        SS_FREE = 0,            //该socket还未分配
        SS_UNCONNECTED,         //未连向任何socket
        SS_CONNECTING,          //正在连接过程中
        SS_CONNECTED,           //已连向一个socket
        SS_DISCONNECTING        //正在断开连接的过程中
    }socket_state;
    该成员只对TCP socket有用,因为只有tcp是面向连接的协议,udp跟raw不需要维护socket状态。
    flags是一组标志位,在内核中并没有发现被使用。
    ops是协议相关的一组操作集,结构体struct proto_ops的定义如下:
    struct proto_ops {
        int     family;
        struct module   *owner;
        int (*release)(struct socket *sock);
        int (*bind)(struct socket *sock, struct sockaddr *myaddr, int sockaddr_len);
        int (*connect)(struct socket *sock, struct sockaddr *vaddr, int sockaddr_len, int flags);
        int (*socketpair)(struct socket *sock1, struct socket *sock2);
        int (*accept)(struct socket *sock,struct socket *newsock, int flags);
        int (*getname)(struct socket *sock, struct sockaddr *addr,int *sockaddr_len, int peer);
        unsigned int (*poll)(struct file *file, struct socket *sock,
                        struct poll_table_struct *wait);
        int (*ioctl)(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg);
        int (*listen)(struct socket *sock, int len);
        int (*shutdown)(struct socket *sock, int flags);
        int (*setsockopt)(struct socket *sock, int level,
                        int optname, char __user *optval, int optlen);
        int (*getsockopt)(struct socket *sock, int level,
                        int optname, char __user *optval, int __user *optlen);
        int (*sendmsg)(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
                        struct msghdr *m, size_t total_len);
        int (*recvmsg)(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
                        struct msghdr *m, size_t total_len, int flags);
        int (*mmap)(struct file *file, struct socket *sock,struct vm_area_struct * vma);
        ssize_t (*sendpage)(struct socket *sock, struct page *page,
                        int offset, size_t size, int flags);
    };
    协议栈中总共定义了三个strcut proto_ops类型的变量,分别是myinet_stream_ops, myinet_dgram_ops, myinet_sockraw_ops,对应流协议, 数据报和原始套接口协议的操作函数集。
    type是socket的类型,对应的取值如下:
    enum sock_type {
        SOCK_DGRAM = 1,
        SOCK_STREAM = 2,
        SOCK_RAW    = 3,
        SOCK_RDM    = 4,
        SOCK_SEQPACKET = 5,
        SOCK_DCCP   = 6,
        SOCK_PACKET = 10,
    };
    sk是网络层对于socket的表示,sock结构中sk_socket指向对应的socket结构体,同样socket结构体中指针sk指向对应的sock结构体,如下图所示

结构体struct sock比较庞大,这里不详细列出,只介绍一些重要的成员,
    sk_prot和sk_prot_creator,这两个成员指向特定的协议处理函数集,其类型是结构体struct proto,该结构体也是跟struct proto_ops相似的一组协议操作函数集。这两者之间的概念似乎有些混淆,可以这么理解,struct proto_ops的成员操作struct socket层次上的数据,处理完了,再由它们调用成员sk->sk_prot的函数,操作struct sock层次上的数据。即它们之间存在着层次上的差异。struct proto类型的变量在协议栈中总共也有三个,分别是mytcp_prot,myudp_prot,myraw_prot,对应TCP, UDP和RAW协议。
    sk_state表示socket当前的连接状态,是一个比struct socket的state更为精细的状态,其可能的取值如下:    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,

        TCP_MAX_STATES
    };
    这些取值从名字上看,似乎只使用于TCP协议,但事实上,UDP和RAW也借用了其中一些值,在一个socket创建之初,其取值都是 TCP_CLOSE,一个UDP socket connect完成后,将这个值改为TCP_ESTABLISHED,最后,关闭sockt前置回TCP_CLOSE,RAW也一样。
    sk_rcvbuf和sk_sndbuf分别表示接收和发送缓冲区的大小。sk_receive_queue和sk_write_queue分别为接收缓 冲队列和发送缓冲队列,队列里排列的是套接字缓冲区struct sk_buff,队列中的struct sk_buff的字节数总和不能超过缓冲区大小的设定。

struct sk_buff_head sk_receive_queue

struct sk_buff_head sk_write_queue


struct sk_buff_head {
    struct 
sk_buff *next;
    struct sk_buff -*prev;
    __u32           qlen;
    spinlock_t      lock;
};
struct sk_buf skb = skb_dequeue(&sk->receive_queue)用于取得socket sk的接收队列上的消息,返回为一个struct sk_buff的结构*/


sk_buff_head->qlen
    代表链表元素的个数

接着上一篇,继续介绍struct sock。
    sk_rmem_alloc, sk_wmem_alloc和sk_omem_alloc分别表示接收缓冲队列,发送缓冲队列及其它缓冲队列中已经分配的字节数,用于跟踪缓冲区的使用情况。
    struct sock有一个struct sock_common成员,因为struct inet_timewait_sock也要用到它,所以把它单独归到一个结构体中,其定义如下:
    struct sock_common {
        unsigned short      skc_family;
        volatile unsigned char skc_state;
        unsigned char       skc_reuse;
        int         skc_bound_dev_if;
        struct hlist_node   skc_node;
        struct hlist_node   skc_bind_node;
        atomic_t        skc_refcnt;
        unsigned int        skc_hash;
        struct proto        *skc_prot;
    };


    struct inet_sock。
    这是INET域专用的一个socket表示,它是在struct sock的基础上进行的扩展,在基本socket的属性已具备的基础上,struct inet_sock提供了INET域专有的一些属性,比如TTL,组播列表,IP地址,端口等,下面是其完整定义:
        struct inet_sock {
            struct sock     sk;
#if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)
            struct ipv6_pinfo   *pinet6;
#endif
            __u32           daddr;          //IPv4的目的地址。
            __u32           rcv_saddr;      //IPv4的本地接收地址。
            __u16           dport;          //目的端口。
            __u16           num;            //本地端口(主机字节序)。
            __u32           saddr;          //发送地址。
            __s16           uc_ttl;         //单播的ttl。
            __u16           cmsg_flags;
            struct ip_options   *opt;
            __u16           sport;          //源端口。
            __u16           id;             //单调递增的一个值,用于赋给iphdr的id域。
            __u8            tos;            //服务类型。
            __u8            mc_ttl;         //组播的ttl
            __u8            pmtudisc;
            __u8            recverr:1,
                            is_icsk:1,
                            freebind:1,
                            hdrincl:1,      //是否自己构建ip首部(用于raw协议)
                            mc_loop:1;      //组播是否发向回路。
            int             mc_index;       //组播使用的本地设备接口的索引。
            __u32           mc_addr;        //组播源地址。
            struct ip_mc_socklist   *mc_list;   //组播组列表。
            struct {
                unsigned int        flags;
                unsigned int        fragsize;
                struct ip_options   *opt;
                struct rtable       *rt;
                int                 length;
                u32                 addr;
                struct flowi        fl;
            } cork;
        };

    struct raw_sock
    这是RAW协议专用的一个socket的表示,它是在struct inet_sock基础上的扩展,因为RAW协议要处理ICMP协议的过滤设置,其定义如下:
    struct raw_sock {
        struct inet_sock   inet;
        struct icmp_filter filter;
    };

    struct udp_sock
    这是UDP协议专用的一个socket表示,它是在struct inet_sock基础上的扩展,其定义如下:
    struct udp_sock {
        struct inet_sock inet;
        int             pending;
        unsigned int    corkflag;
        __u16           encap_type;
        __u16           len;
    };

    struct inet_connection_sock
    看完上面两个,我们觉得第三个应该就是struct tcp_sock了,但事实上,struct tcp_sock并不直接从struct inet_sock上扩展,而是从struct inet_connection_sock基础上进行扩展,struct inet_connection_sock是所有面向连接的socket的表示,关于该socket,及下面所有tcp相关的socket,我们在分析 tcp实现时再详细介绍,这里只列出它们的关系。

    strcut tcp_sock
    这是TCP协议专用的一个socket表示,它是在struct inet_connection_sock基础进行扩展,主要是增加了滑动窗口协议,避免拥塞算法等一些TCP专有属性。

    struct inet_timewait_sock

    struct tcp_timewait_sock
    在struct inet_timewait_sock的基础上进行扩展。

    struct inet_request_sock

    struct tcp_request_sock
    在struct inet_request_sock的基础上进行扩展。
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