struct socket 结构详解

     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，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。 

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。