套接字socket 的地址族和類型、工作原理、創建過程

注：本分類下文章大多整理自《深入分析linux內核源代碼》一書，另有參考其他一些資料如《linux內核完全剖析》、《linux c 編程一站式學習》等，只是為了更好地理清系統編程和網絡編程中的一些概念性問題，並沒有深入地閱讀分析源碼，我也是草草翻過這本書，請有興趣的朋友自己參考相關資料。此書出版較早，分析的版本為2.4.16，故出現的一些概念可能跟最新版本內核不同。

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一、套接字socket

（一）、套接字在網絡中的地位和作用

socket 在網絡系統中的作用如下。

（1）socket 位於網絡協議之上，屏蔽了不同網絡協議之間的差異。

（2）socket 是網絡編程的入口，它提供了大量的系統調用，構成了網絡程序的主體。

（3）在Linux 系統中，socket 屬於文件系統的一部分，網絡通信可以被看作是對文件的讀取，使得我們對網絡的控制和對文件的控制一樣方便。

（二）、套接字接口的種類

Linux 支持多種套接字種類，不同的套接字種類稱為“地址族”，這是因為每種套接字種類擁有自己的通信尋址方法。Linux 所支持的套接字地址族見表12.3。Linux 將上述套接字地址族抽象為統一的 BSD 套接字接口，應用程序關心的只是 BSD 套接字接口，而 BSD 套接字由各地址族專有的軟件支持。一般而言，BSD 套接字可支持多種套接字類型，不同的套接字類型提供的服務不同，Linux 所支持的部分 BSD 套接字類型見表12.4，但表12.3 中的套接字地址族並不一定全部支持表12.4 中的這些套接字類型。

（三）、套接字的工作原理

INET 套接字就是支持 Internet 地址族的套接字，它位於TCP 之上，BSD 套接字之下，如圖12.8 所示，這里也體現了Linux 網絡模塊分層的設計思想。

INET 和 BSD 套接字之間的接口通過 Internet 地址族套接字操作集實現，這些操作集實際是一組協議的操作例程，在include/linux/net.h 中定義為struct proto_ops：

 C++ Code 

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struct proto_ops {     int family;     int (*release) (struct socket *sock);     int (*bind) (struct socket *sock, struct sockaddr *umyaddr,                  int sockaddr_len);     int (*connect) (struct socket *sock, struct sockaddr *uservaddr,                     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 *uaddr,                     int *usockaddr_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 *optval, int optlen);     int (*getsockopt) (struct socket *sock, int level, int optname,                        char *optval, int *optlen);     int (*sendmsg) (struct socket *sock, struct msghdr *m, int total_len, struct                     scm_cookie *scm);     int (*recvmsg) (struct socket *sock, struct msghdr *m, int total_len, int flags,                     struct scm_cookie *scm);     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); };

這個操作集類似於文件系統中的file_operations 結構。BSD 套接字層通過調用proto_ops 結構中的相應函數執行任務。BSD 套接字層向 INET 套接字層傳遞 socket 數據結構來代表一個 BSD 套接字，socket 結構在include/linux/net.h 中定義如下：

 C++ Code 

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struct socket {     socket_state state;     unsigned long flags;     struct proto_ops *ops;     struct inode *inode;     struct fasync_struct *fasync_list; /* Asynchronous wake up list */     struct file *file; /* File back pointer for gc */     struct sock *sk;     wait_queue_head_t wait;     short type;     unsigned char passcred; };

但在 INET 套接字層中，它利用自己的 sock 數據結構來代表該套接字，因此，這兩個結構之間存在着鏈接關系，sock 結構定義於include/net/sock.h。在 BSD 的 socket 數據結構中存在一個指向sock 的指針sk，而在sock 中又有一個指向socket 的指針，這兩個指針將 BSD socket 數據結構和sock 數據結構鏈接了起來。通過這種鏈接關系，套接字調用就可以方便地檢索到 sock 數據結構。實際上，sock 數據結構可適用於不同的協議，它也定義有自己的協議操作集proto_ops。在建立套接字時，sock數據結構的協議操作集指針指向所請求的協議操作集。如果請求 TCP，則 sock 數據結構的協議操作集指針將指向 TCP 的協議操作集。

BSD 套接字上的詳細操作與具體的底層地址族有關，底層地址族的不同實際意味着尋址方式、采用的協議等的不同。Linux 利用 BSD 套接字層抽象了不同的套接字接口。在內核的初始化階段，內建於內核的不同地址族分別以 BSD 套接字接口在內核中注冊。然后，隨着應用程序創建並使用 BSD 套接字。內核負責在 BSD 套接字和底層的地址族之間建立聯系。這種聯系通過交叉鏈接數據結構以及地址族專有的支持例程表建立。在內核中， 地址族和協議信息保存在inet_protos 向量中， 其定義於include/net/protocol.h：

 C++ Code 

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struct inet_protocol *inet_protos[MAX_INET_PROTOS]; /* This is used to register protocols. */ struct inet_protocol {     int (*handler)(struct sk_buff *skb);//The Linux kernel uses an sk_buff data structure to describe each packet.     void (*err_handler)(struct sk_buff *skb, u32 info);     struct inet_protocol *next;     unsigned char protocol;     unsigned char copy: 1;     void *data;     const char *name; };

每個地址族由其名稱以及相應的初始化例程地址代表。在引導階段初始化套接字接口時，內核調用每個地址族的初始化例程，這時，每個地址族注冊自己的協議操作集。協議操作集實際是一個例程集合，其中每個例程執行一個特定的操作。

（四）、套接字的創建過程

Linux 在利用socket()系統調用建立新的套接字時，需要傳遞套接字的地址族標識符、套接字類型以及協議，其函數定義於net/socket.c 中：

 C++ Code 

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asmlinkage  long sys_socket(int family, int type, int protocol) {     int retval;     struct socket *sock;     retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);     if (retval < 0)         goto out;     retval = sock_map_fd(sock);     if (retval < 0)         goto out_release; out:     /* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */     return retval; out_release:     sock_release(sock);     return retval; }

實際上，套接字對於用戶程序而言就是特殊的已打開的文件。內核中為套接字定義了一種特殊的文件類型，形成一種特殊的文件系統sockfs，其定義於net/socket.c：

 C++ Code 

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static struct vfsmount *sock_mnt; static DECLARE_FSTYPE(sock_fs_type, "sockfs", sockfs_read_super, FS_NOMOUNT);

在系統初始化時，要通過kern_mount()安裝這個文件系統。安裝時有個作為連接件的vfsmount 數據結構，這個結構的地址就保存在一個全局的指針sock_mnt 中。所謂創建一個套接字，就是在sockfs 文件系統中創建一個特殊文件，或者說一個節點，並建立起為實現套接字功能所需的一整套數據結構。所以，函數sock_create()首先是建立一個socket 數據結構，然后將其“映射”到一個已打開的文件中，進行socket 結構和sock 結構的分配和初始化。

新創建的 BSD socket 數據結構包含有指向地址族專有的套接字例程的指針，這一指針實際就是 proto_ops 數據結構的地址。

BSD 套接字的套接字類型設置為所請求的 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM 等。然后，內核利用 proto_ops 數據結構中的信息調用地址族專有的創建例程。之后，內核從當前進程的 fd 向量中分配空閑的文件描述符，該描述符指向的 file 數據結構被初始化。初始化過程包括將文件操作集指針指向由 BSD 套接字接口支持的 BSD 文件操作集。所有隨后的套接字（文件）操作都將定向到該套接字接口，而套接字接口則會進一步調用地址族的操作例程，從而將操作傳遞到底層地址族，如圖12.10 所示。

實際上，socket 結構與sock 結構是同一事物的兩個方面。如果說socket 結構是面向進程和系統調用界面的，那么sock 結構就是面向底層驅動程序的。可是，為什么不把這兩個數據結構合並成一個呢？我們說套接字是一種特殊的文件系統，因此，inode 結構內部的union 的一個成分就用作socket 結構，其定義如下：

 C++ Code 

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struct inode ｛         .......         union     {         ........         struct socket socket_i;     } }

由於套接字操作的特殊性，這個結構中需要大量的結構成分。可是，如果把這些結構成分全都放在socket 結構中，則inode 結構中的這個union 就會變得很大，從而inode 結構也會變得很大，而對於其他文件系統，這個union 成分並不需要那么龐大。因此，就把套接字所需的這些結構成分拆成兩部分，把與文件系統關系比較密切的那一部分放在socket 結構中，把與通信關系比較密切的那一部分則單獨組成一個數據結構，即sock 結構。由於這兩部分數據在邏輯上本來就是一體的，所以要通過指針互相指向對方，形成一對一的關系。