linux内核中socket的创建过程源码分析(总结性质)

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在漫长地分析完socket的创建源码后,发现一片浆糊,所以特此总结,我的博客中同时有另外一篇详细的源码分析,内核版本为3.9,建议在阅读本文后若还有兴趣再去看另外一篇博文。绝对不要单独看另外一篇。

一:调用链:

二:数据结构

一一看一下每个数据结构的意义:

1) socket, sock, inet_sock, tcp_sock的关系
创建完sk变量后,回到inet_create函数中:

这里是根据sk变量得到inet_sock变量的地址;这里注意区分各个不同结构体。
a. struct socket:这个是基本的BSD socket,面向用户空间,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;

b. struct sock:它是网络层的socket;对应有TCP、UDP、RAW三种,面向内核驱动;

其状态相比socket结构更精细:

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;

三:具体过程

1、函数入口:
1) 示例代码如下:

int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);


2) 入口:
net/Socket.c:sys_socketcall(),根据子系统调用号,创建socket会执行sys_socket()函数;

2、分配socket结构:
1) 调用链:
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->sock_alloc();

2) 在socket文件系统中创建i节点:

inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);
这里,new_inode函数是文件系统的通用函数,其作用是在相应的文件系统中创建一个inode;其主要代码如下(fs/Inode.c):

上面有个条件判断:if (sb->s_op->alloc_inode),意思是说如果当前文件系统的超级块有自己分配inode的操作函数,则调用它自己的函数分配inode,否则从公用的高速缓存区中分配一块inode;

3) 创建socket专用inode:
在“socket文件系统注册”一文中后面提到,在安装socket文件系统时,会初始化该文件系统的超级块,此时会初始化超级块的操作指针s_op为sockfs_ops结构;因此此时分配inode会调用sock_alloc_inode函数来完成:实际上分配了一个socket_alloc结构体,该结构体包含socket和inode,但最终返回的是该结构体中的inode成员;至此,socket结构和inode结构均分配完毕;分配inode后,应用程序便可以通过文件描述符对socket进行read()/write()之类的操作,这个是由虚拟文件系统(VFS)来完成的。

3、根据inode取得socket对象:
由于创建inode是文件系统的通用逻辑,因此其返回值是inode对象的指针;但这里在创建socket的inode后,需要根据inode得到socket对象;内联函数SOCKET_I由此而来,这里使用两个重要宏containerof和offsetof


4、使用协议族来初始化socket:

1) 注册AF_INET协议域:

在“socket文件系统注册”中提到系统初始化的工作,AF_INET的注册也正是通过这个来完成的;

初始化入口net/ipv4/Af_inet.c:这里调用sock_register函数来完成注册:

根据family将AF_INET协议域inet_family_ops注册到内核中的net_families数组中;下面是其定义:

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

其中,family指定协议域的类型,create指向相应协议域的socket的创建函数;

2) 套接字类型

在相同的协议域下,可能会存在多个套接字类型;如AF_INET域下存在流套接字(SOCK_STREAM),数据报套接字(SOCK_DGRAM),原始套接字(SOCK_RAW),在这三种类型的套接字上建立的协议分别是TCP, UDP,ICMP/IGMP等。

在Linux内核中,结构体struct proto表示域中的一个套接字类型,它提供该类型套接字上的所有操作及相关数据(在内核初始化时会分配相应的高速缓冲区,见上面提到的inet_init函数)。

AF_IENT域的这三种套接字类型定义用结构体inet_protosw(net/ipv4/Af_inet.c)来表示,如下:其中,tcp_prot(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)、 udp_prot(net/ipv4/Udp.c)、raw_prot(net/ipv4/Raw.c)分别表示三种类型的套接字,分别表示相应套接字的 操作和相关数据;ops成员提供该协议域的全部操作集合,针对三种不同的套接字类型,有三种不同的域操作inet_stream_ops、 inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops,其定义均位于net/ipv4/Af_inet.c下;

内 核初始化时,在inet_init中,会将不同的套接字存放到全局变量inetsw中统一管理;inetsw是一个链表数组,每一项都是一个struct inet_protosw结构体的链表,总共有SOCK_MAX项,在inet_init函数对AF_INET域进行初始化的时候,调用函数 inet_register_protosw把数组inetsw_array中定义的套接字类型全部注册到inetsw数组中;其中相同套接字类型,不同 协议类型的套接字通过链表存放在到inetsw数组中,以套接字类型为索引,在系统实际使用的时候,只使用inetsw,而不使用 inetsw_array;

3) 使用协议域来初始化socket

了解了上面的知识后,我们再回到net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()中:

pf = rcu_dereference(net_families[family]); err = pf->create(net, sock, protocol);

上面的代码中,找到内核初始化时注册的协议域,然后调用其create方法;

5、分配sock结构:

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,struct proto类型的变量在协议栈中总共也有三个.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:

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sk;

结合源码,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():

其中,answer_prot指向tcp_prot结构体变量;

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:

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。


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: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:

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;

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