一、套接字与套接字接口
套接字是应用程序访问系统网络服务的接口。端到端的通信通过一对套接字来实现，一个套接字对应一个通信端点。
从实现来看，套接字是端端通信的抽象描述。在应用程序里，套接字对应一个整数值（套接字描述符）；在内核里，套接字对应一个管理通信过程的对象（struct socket结构）。该结构与前面所说的整数值一一对应。
在
Linux系统内核中，struct
socket结构对象不仅封装了管理通信过程的数据信息，还封装了负责网络通信的功能函数（其具体的实现方式有些类似MFC中的回调函数）。为了便于访问
这些功能函数，Linux提供了一系列编程接口函数，即套接字接口。通过这些接口，应用程序触发系统调用来调用上述功能函数，从而访问网络服务。
根据底层网络机制的差异，套接字可以定义为不同协议族的套接字。比如INET协议族套接字，UNIX域套接字等。在内核源文件include/linux/socket.h中，每个协议族标识符被定义为一个整数：
1: #define PF_UNSPEC AF_UNSPEC
2: #define PF_UNIX AF_UNIX
3: #define PF_LOCAL AF_LOCAL
4: #define PF_INET AF_INET
5: #define PF_AX25 AF_AX25
6: ...
创建套接字时，可以通过参数选择协议族。如果指定为PF_INET协议族，则称套接字为INET套接字。INET套接字的接口函数提供了TCP/IP网络服务功能。
套接字接口会实现一系列功能以便应用程序使用，包括：套接字创建、地址绑定、连接请求、端口监听、连接请求允许、数据包发送和接收等。
二、套接字创建流程
应用程序采用socket函数创建套接字。socket会触发内核调用sys_socket函数，随后sys_socket又调用
sock_create函数。根据socket函数在参数中指定的协议族类型sock_create函数有选择地调用不同的套接字创建函数，例如，当指定
PF_INET协议族时，sock_create函数调用inet_create创建INET套接字。这些套接字函数首先创建套接字的内核表示结构，再返
回一个套接字描述符来标识生成的套接字对象。socket函数返回时，应用程序获得这个套接字描述符。
三、一些重要的套接字数据结构
Linux内核提供了一系列管理套接字的数据类型，此处只介绍几个比较重要的。其中，struct
net_proto_family是协议族管理类型，负责不同协议族套接字的创建；struct
socket是套接字结构类型，每个套接字在内核中都对应唯一的struct sockt结构；struct
proto_ops是协议族套接字的操作集，统一管理套接字操作函数；struct
sock是套接字在传输层的表示类型，为套接字指定传输层协议后，其struct socket的sk指针将指向一个与传输协议关联的struct
sock结构；struct proto是传输层协议操作集，统一管理传输层协议的操作函数。
1、struct net_proto_family
1: struct net_proto_family
2: {
3: int family; //协议族标志
4: int (*create)(strcut socket *sock, int protocol); //套接字创建方法
5: short authentication; //认证管理字段
6: short encryption; //加密管理字段
7: short encrypt_net;
8: struct module * owner;
9: };
struct
net_proto_family管理不同协议族套接字的创建方法，其中create指针指向具体协议族套接字的创建函数。在include/linux
/socket.h文件中，内核用整数定义这些协议族。在初始化时，Linux系统支持的协议族被注册到数组static struct
net_proto_family *net_families中。以下为一些常见协议族
1: #define PF_UNIX 1 //UNIX域协议族
2: #define PF_INET 2 //TCP/IP协议族
3: #define PF_IPX 4 //Novell网的IPX协议族
4: #define PF_APPLETALK 5
5: #define PF_ATMPVC 8
6: #define PF_X25 9
7: #define PF_INET6 10
8: #define PF_NETLINK 16
Linux通过net_families表来管理协议族，该表是struct net_proto_family类型的指针数组，定义为：
1: static struct net_proto_family * net_families[NPROTO]；
协议族初始化时，套接字创建方法被sock_register函数(位于net\socket.c中)注册到net_families中：
1: int sock_register(const struct net_proto_family *ops)
2: {
3: ...
4: if (rcu_dereference_protected(net_families[ops->family],
5: lockdep_is_held(&net_family_lock)))
6: err = -EEXIST;
7: else {
8: rcu_assign_pointer(net_families[ops->family], ops);
9: err = 0;
10: }
11: ...
12: }
比如INET协议族初始化时，函数inet_init调用sock_register来注册INET套接字的创建方法（struct net_proto_family类型变量inet_family_ops管理INET套接字的创建方法）。
sock_register函数定义如下：
1: int sock_register(const struct net_proto_family *ops)
2: {
3: int err;
4:
5: if (ops->family >= NPROTO) {
6: printk(KERN_CRIT "protocol %d >= NPROTO(%d)\n", ops->family,
7: NPROTO);
8: return -ENOBUFS;
9: }
10:
11: spin_lock(&net_family_lock);
12: if (rcu_dereference_protected(net_families[ops->family],
13: lockdep_is_held(&net_family_lock)))
14: err = -EEXIST;
15: else {
16: rcu_assign_pointer(net_families[ops->family], ops);
17: err = 0;
18: }
19: spin_unlock(&net_family_lock);
20:
21: printk(KERN_INFO "NET: Registered protocol family %d\n", ops->family);
22: return err;
23: }
例如，inet_family_ops变量定义为：
1: struct net_proto_family inet_family_ops =
2: {
3: .family = PF_INET,
4: .create = inet_create,
5: .owner = THIS_MODULE
6: };
变量inet_family_ops管理INET协议族套接字的创建方法，其create指针指向inet_create函数。
上文提到的inet_init函数代码如下：
1: static int __init inet_init(void)
2: {
3: (void)sock_register(&inet_family_ops);
4: }
struct net_proto_family的定义代码位于文件include/linux/net.h
2、struct proto_ops
1: struct proto_ops
2: {
3: int family;//协议族
4: struct module *owner;//所属模块
5: //以下均为以函数指针形式指定的套接字操作
6: int (*release)(struct socket *sock);
7: int (*bind)(struct socket *sock, struct sockaddr *myaddr,
8: int sockaddr_len);
9: ...
10: };
struct proto_ops类型是协议族操作集。不同协议族套接字的操作函数可能不同，但Linux通过struct
proto_ops中那些函数指针统一了接口，用这些函数指针来操作套接字。对于INET协议族的TCP和UDP协议，Linux分别提供了
inet_stream_ops和inet_dgram_ops两个struct
proto_ops类型的变量，以inet_stream_ops为例：
1: struct proto_ops inet_stream_ops =
2: {
3: .family = PF_INET,
4: .owner = THIS_MODULE,
5: .release = inet_release,
6: .bind = inet_bind,
7: ...
8: }
struct proto_ops的声明位于include/linux/net.h
3、struct socket类型
1: struct socket
2: {
3: socket_state state;//状态值
4: unsigned long flags;//标识
5: struct proto_ops *ops;//指向一个struct proto_ops结构，为套接字提供协议族操作集
6: struct fasync_struct *fasync_list;//异步唤醒链表
7: struct file *file;//文件指针
8: struct sock *sk;//指向struct sock结构体，该结构体是套接字在传输层的表示结构
9: wait_queue_head_t wait;//等待队列
10: short type;//传输层数据类型
11: unsigned char passcred;//授权描述
12: };
struct socket类型统一表示不同协议族的套接字，它与应用程序引用的套接字描述符一一对应。成员ops指向struct
proto_ops结构体，代表具体协议族套接字的操作集。比如若INET协议族采用TCP传输协议，那么ops指向的结构体为
inet_stream_ops；若INET协议族套接字采用UDP传输协议，那么ops指向的结构体等同于inet_dgram_ops。sk指向的
struct sock结构体代表了传输层的套接字结构，包含了与具体传输层协议相关的信息，如其中的sk_prot指针提供了传输层的操作集。
struct socket的定义代码位于文件include/linux/net.h
4、struct proto类型
1: struct proto
2: {
3: void (*close)(struct sock *sk, long timeout);//关闭套接字
4: ...//一系列函数指针
5: atomic_t *memory_allocated;//分配的内存数
6: atomic_t *sockets_allocated;//分配的套接字数
7: int *memory_pressure;//与memory_allocated有关的控制
8: int *sysctl_mem;//内存访问限制指针
9: int *sysctl_wmem;
10: int *sysctl_rmem;
11: int max_header;//最大头部
12: char name[32];//名字描述
13: struct
14: {
15: int inuse;
16: u8 __pad[SMP_CACHE_BYTES - sizeof(int)];
17: }stats[NR_CPUS];//填充字段
18: };
该结构体封装了传输协议操作集。
5、struct sock类型
该结构体是套接字在传输层的表示结构。所有的套接字最后通过该结构来使用网络协议栈的服务。这个结构体定义于include/net/sock.h。
6、struct net_protocol类型
该结构体定义于include/net/protocol.h。
该结构管理传输层接收数据包的方法（也是通过函数指针）。例如TCP初始化时，内核在前文提到过的inet_init函数中注册了接收TCP数据包的方法用(struct net_protocol类型变量tcp_protocol表示)，代码如下
1: if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
2: printk(KERN_CRIT "inet_init: Cannot add TCP protocol\n");
7、struct inet_protosw类型
该结构把INET套接字的协议族操作集与传输层协议操作集关联起来。
1: struct inet_protosw {
2: struct list_head list;
3:
4: /* These two fields form the lookup key. */
5: unsigned short type; /* This is the 2nd argument to socket(2). */
6: unsigned short protocol; /* This is the L4 protocol number. */
7:
8: struct proto *prot;//传输层协议操作集
9: const struct proto_ops *ops;//协议族套接字操作集
10:
11: char no_check; /* checksum on rcv/xmit/none? */
12: unsigned char flags; /* See INET_PROTOSW_* below. */
13: };
在/net/ipv4/Af_inet.c中分别针对INET套接字中TCP、UDP和RAW三种协议，以数组方式定义了三个inet_protosw类型变量：
1: static struct inet_protosw inetsw_array[] =
2: {
3: {
4: .type = SOCK_STREAM,
5: .protocol = IPPROTO_TCP,
6: .prot = &tcp_prot,
7: .ops = &inet_stream_ops,
8: .no_check = 0,
9: .flags = INET_PROTOSW_PERMANENT |
10: INET_PROTOSW_ICSK,
11: },
12:
13: {
14: .type = SOCK_DGRAM,
15: .protocol = IPPROTO_UDP,
16: .prot = &udp_prot,
17: .ops = &inet_dgram_ops,
18: .no_check = UDP_CSUM_DEFAULT,
19: .flags = INET_PROTOSW_PERMANENT,
20: },
21:
22:
23: {
24: .type = SOCK_RAW,
25: .protocol = IPPROTO_IP, /* wild card */
26: .prot = &raw_prot,
27: .ops = &inet_sockraw_ops,
28: .no_check = UDP_CSUM_DEFAULT,
29: .flags = INET_PROTOSW_REUSE,
30: }
31: };
这三个变量实现了INET协议族中各协议族操作集与对应的传输层操作的关联。在inet_init函数初始化INET协议族时，通过
inet_register_protosw把数组inetsw_array记录的信息注册到inetsw数组中，在系统实际使用时，以协议族为索引访问
inetsw。
struct inet_protosw位于include/net/protocol.h
8、Msghdr类型
该结构负责应用程序与内核交互网络数据，准备发送的数据信息封装在这里。该结构体位于include/linux/socoket.h
四、套接字创建流程及数据发送流程
以INET协议族为例：
套接字创建流程：
应用程序创建套接字时，调用socket函数，该函数触发内核的sys_socket函数。sys_socket函数引用
sock_create，sock_create又调用__sock_create来创建套接字结构，具体实现包括：struct
socket结构对象，访问net_families变量得到协议族套接字的创建方法。对于INET套接字得到对应的套接字创建方法
inet_create。inet_create函数创建一个INET套接字（用socket结构体表示），并根据套接字类型来决定传输层所采用的协议。
socket结构体最重要的信息保存于其内部的sock结构体中（由sk指针指向该结构），inet_create为此结构分配内存，并根据套接字类型做
出不同的初始化。
