Struct Socket詳細分析（轉）

原文地址：http://anders0913.iteye.com/blog/411986

 

    用戶使用socket系統調用編寫應用程序時，通過一個數字來表示一個socket，所有的操作都在該數字上進行，這個數字稱為套接字描述符。在系統調用 的實現函數里，這個數字就會被映射成一個表示socket的結構體，該結構體保存了該socket的所有屬性和數據。在內核的協議中實現中，關於表示 socket的結構體，是一個比較復雜的東西，下面一一介紹。
    struct socket。
    這是一個基本的BSD socket，我們調用socket系統調用創建的各種不同類型的socket，開始創建的都是它，到后面，各種不同類型的socket在它的基礎上進行 各種擴展。struct socket是在虛擬文件系統上被創建出來的，可以把它看成一個文件，是可以被安全地擴展的。下面是其完整定義：

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用於表示socket所處的狀態，是一個枚舉變量，其類型定義如下：

typedef enum {
    SS_FREE = 0,            //該socket還未分配
    SS_UNCONNECTED,         //未連向任何socket
    SS_CONNECTING,          //正在連接過程中
    SS_CONNECTED,           //已連向一個socket
    SS_DISCONNECTING        //正在斷開連接的過程中
}socket_state;

    該成員只對TCP socket有用，因為只有tcp是面向連接的協議，udp跟raw不需要維護socket狀態。
    flags是一組標志位，在內核中並沒有發現被使用。
    ops是協議相關的一組操作集，結構體struct proto_ops的定義如下：
   

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);
    };

協議棧中總共定義了三個strcut proto_ops類型的變量，分別是myinet_stream_ops, myinet_dgram_ops, myinet_sockraw_ops，對應流協議, 數據報和原始套接口協議的操作函數集。
    type是socket的類型，對應的取值如下：

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是網絡層對於socket的表示，結構體struct sock比較龐大，這里不詳細列出，只介紹一些重要的成員，
    sk_prot和sk_prot_creator，這兩個成員指向特定的協議處理函數集，其類型是結構體struct proto，該結構體也是跟struct proto_ops相似的一組協議操作函數集。這兩者之間的概念似乎有些混淆，可以這么理解，struct proto_ops的成員操作struct socket層次上的數據，處理完了，再由它們調用成員sk->sk_prot的函數，操作struct sock層次上的數據。即它們之間存在着層次上的差異。struct proto類型的變量在協議棧中總共也有三個，分別是mytcp_prot，myudp_prot，myraw_prot，對應TCP, UDP和RAW協議。
    sk_state表示socket當前的連接狀態，是一個比struct socket的state更為精細的狀態，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
;

    這些取值從名字上看，似乎只使用於TCP協議，但事實上，UDP和RAW也借用了其中一些值，在一個socket創建之初，其取值都是 TCP_CLOSE，一個UDP socket connect完成后，將這個值改為TCP_ESTABLISHED，最后，關閉sockt前置回TCP_CLOSE，RAW也一樣。
    sk_rcvbuf和sk_sndbuf分別表示接收和發送緩沖區的大小。sk_receive_queue和sk_write_queue分別為接收緩 沖隊列和發送緩沖隊列，隊列里排列的是套接字緩沖區struct sk_buff，隊列中的struct sk_buff的字節數總和不能超過緩沖區大小的設定。

接着上一篇，繼續介紹struct sock。
    sk_rmem_alloc, sk_wmem_alloc和sk_omem_alloc分別表示接收緩沖隊列，發送緩沖隊列及其它緩沖隊列中已經分配的字節數，用於跟蹤緩沖區的使用情況。
    struct sock有一個struct sock_common成員，因為struct inet_timewait_sock也要用到它，所以把它單獨歸到一個結構體中，其定義如下：

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。
    這是INET域專用的一個socket表示，它是在struct sock的基礎上進行的擴展，在基本socket的屬性已具備的基礎上，struct inet_sock提供了INET域專有的一些屬性，比如TTL，組播列表，IP地址，端口等，下面是其完整定義：

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（主機字節序）。
            __u32           saddr;          //發送地址。
            __s16           uc_ttl;         //單播的ttl。
            __u16           cmsg_flags;
            struct ip_options   *opt;
            __u16           sport;          //源端口。
            __u16           id;             //單調遞增的一個值，用於賦給iphdr的id域。
            __u8            tos;            //服務類型。
            __u8            mc_ttl;         //組播的ttl
            __u8            pmtudisc;
            __u8            recverr:1,
                            is_icsk:1,
                            freebind:1,
                            hdrincl:1,      //是否自己構建ip首部(用於raw協議)
                            mc_loop:1;      //組播是否發向回路。
            int             mc_index;       //組播使用的本地設備接口的索引。
            __u32           mc_addr;        //組播源地址。
            struct ip_mc_socklist   *mc_list;   //組播組列表。
            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
    這是RAW協議專用的一個socket的表示，它是在struct inet_sock基礎上的擴展，因為RAW協議要處理ICMP協議的過濾設置，其定義如下：

struct raw_sock {
    struct inet_sock   inet;
    struct icmp_filter filter;
};

    struct udp_sock
    這是UDP協議專用的一個socket表示，它是在struct inet_sock基礎上的擴展，其定義如下：

struct udp_sock {
    struct inet_sock inet;
    int             pending;
    unsigned int    corkflag;
    __u16           encap_type;
    __u16           len;
};

    struct inet_connection_sock
    看完上面兩個，我們覺得第三個應該就是struct tcp_sock了，但事實上，struct tcp_sock並不直接從struct inet_sock上擴展，而是從struct inet_connection_sock基礎上進行擴展，struct inet_connection_sock是所有面向連接的socket的表示，關於該socket，及下面所有tcp相關的socket，我們在分析 tcp實現時再詳細介紹，這里只列出它們的關系。

    strcut tcp_sock
    這是TCP協議專用的一個socket表示，它是在struct inet_connection_sock基礎進行擴展，主要是增加了滑動窗口協議，避免擁塞算法等一些TCP專有屬性。

    struct inet_timewait_sock

    struct tcp_timewait_sock
    在struct inet_timewait_sock的基礎上進行擴展。

    struct inet_request_sock

    struct tcp_request_sock
    在struct inet_request_sock的基礎上進行擴展。