socket函数的domain、type、protocol解析
lxg@2015-04-09
内核中的socket概览
图一：socket概览
内核中套接字是一层一层进行抽象展示的，把共性的东西抽取出来，这样对外提供的接口可以尽量的统一。内核中把套接字的定义会抽象出来展示，如struct sock->struct inet_sock->struct tcp_sock从抽象到具体。还会把套接字的操作也会抽象，下面我们会提到怎么进行抽象展示的。
Socket函数中的三个参数其实就是把抽象的socket具体化的条件，domain参数决定了图中所示的第二层通信域，type决定了第三层的通信模式，protocol决定了第四层真正的通信协议。
Domain参数
Domain参数指定了通信的”域”(在后文中会用family替代domain)，我们是在IPv4还是IPv6这个范围内通信，也就决定了我们通信的地址是IPv4格式还是IPv6格式。通常可选的定义如下：
| 名称 | 目的 |
| AF_UNIX, AF_LOCAL | 本地通信 |
| AF_INET | IPv4网络通信 |
| AF_INET6 | IPv6网络通信 |
| AF_PACKET | 链路层通信 |
在Linux系统中AF_*和PF_*是等价的。
在内核源码中net目录下面有Af_开头的一系列文件(如:Af_inet.c、Af_inet6.c、Af_unix.c等)，每一个文件分别代表了一种协议族。
在Net.h中定义了一个结构体：
| //net_proto_family结构体定义了每一个协议族的新建socket句柄 struct net_proto_family { int family; int (*create)(struct net *net, struct socket *sock, int protocol, int kern); struct module *owner; }; //Af_inet.c中的PF_INET domain的定义 static const struct net_proto_family inet_family_ops = { .family = PF_INET, .create = inet_create, .owner = THIS_MODULE, }; |
在协议栈初始化的通过sock_register(const struct net_proto_family *ops)(socket.c)函数把协议栈支持的协议族family加入net_families数组中。
当我们通过socket系统调用创建套接字的时候流程走到__sock_create函数(SYSCALL_DEFINE3->sock_create->__sock_create)的时候根据family在net_families数组中取得对应协议族的create句柄，所以对于PF_INET协议族的套接字就是调用inet_create来新建socket。
通过上面分析可知family这个参数决定了调用哪个协议族create函数来新建socket，说得可能不准确点就是决定了你使用net/目录下面的哪个Af_*.c文件中的函数。
Type参数
Type就是socket的类型，对于AF_INET协议族而言有流套接字(SOCK_STREAM)、数据包套接字(SOCK_DGRAM)、原始套接字(SOCK_RAW)。
| /** * enum sock_type - Socket types * @SOCK_STREAM: stream (connection) socket * @SOCK_DGRAM: datagram (conn.less) socket * @SOCK_RAW: raw socket * @SOCK_RDM: reliably-delivered message * @SOCK_SEQPACKET: sequential packet socket * @SOCK_DCCP: Datagram Congestion Control Protocol socket * @SOCK_PACKET: linux specific way of getting packets at the dev level. * For writing rarp and other similar things on the user level. */ enum sock_type { SOCK_STREAM = 1, SOCK_DGRAM = 2, SOCK_RAW = 3, SOCK_RDM = 4, SOCK_SEQPACKET = 5, SOCK_DCCP = 6, SOCK_PACKET = 10, }; |
在内核协议栈中有一个很重要的结构体，定义了每一个协议族中套接字在传输层的操作集合。PS：这里我理解传输层包括了套接字类型(STREAM,DGRAM)和具体的传输层协议(TCP,UDP)
| /* This is used to register socket interfaces for IP protocols. */ struct inet_protosw { struct list_head list;
/* These two fields form the lookup key. */ unsigned short type; /* This is the 2nd argument to socket(2). */ unsigned short protocol; /* This is the L4 protocol number. */
struct proto *prot; const struct proto_ops *ops;
unsigned char flags; /* See INET_PROTOSW_* below. */ }; |
struct proto_ops结构体定义了每一种套接字类型 (SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW)的操作集合，在Af_inet.c中分别定义了inet_stream_ops、inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops这三种类型的proto_ops：
| const struct proto_ops inet_stream_ops = { .family = PF_INET, .owner = THIS_MODULE, .release = inet_release, .bind = inet_bind, .connect = inet_stream_connect, .socketpair = sock_no_socketpair, .accept = inet_accept, .getname = inet_getname, .poll = tcp_poll, .ioctl = inet_ioctl, .listen = inet_listen, .shutdown = inet_shutdown, .setsockopt = sock_common_setsockopt, .getsockopt = sock_common_getsockopt, .sendmsg = inet_sendmsg, .recvmsg = inet_recvmsg, .mmap = sock_no_mmap, .sendpage = inet_sendpage, .splice_read = tcp_splice_read, #ifdef CONFIG_COMPAT .compat_setsockopt = compat_sock_common_setsockopt, .compat_getsockopt = compat_sock_common_getsockopt, .compat_ioctl = inet_compat_ioctl, #endif }; |
我们新建socket的时候指定了type为SOCK_STREAM那么在后面的套接字操作中(如connect)会调用对应的inet_stream_ops中对应的函数(如inet_stream_connect)。
图2：inetsw、inet_protosw、proto_ops、proto的关系图
Protocol参数
上文中我们通过family和type已经基本确定了新建的socket具体是什么类型的套接字，最后一步通过protocol来确定socket到底支持的哪个协议(TCP?UDP?)。
在inet_protosw结构体中我们已经解释过proto_ops对应的是每一种套接字类型的操作集合，那么可知struct proto对应的就是具体协议的操作集合。在Tcp_ipv4.c中定义TCP协议的struct proto tcp_prot：
| struct proto tcp_prot = { .name = "TCP", .owner = THIS_MODULE, .close = tcp_close, .connect = tcp_v4_connect, .disconnect = tcp_disconnect, .accept = inet_csk_accept, .ioctl = tcp_ioctl, .init = tcp_v4_init_sock, .destroy = tcp_v4_destroy_sock, .shutdown = tcp_shutdown, .setsockopt = tcp_setsockopt, .getsockopt = tcp_getsockopt, .recvmsg = tcp_recvmsg, .sendmsg = tcp_sendmsg, .sendpage = tcp_sendpage, .backlog_rcv = tcp_v4_do_rcv, .release_cb = tcp_release_cb, .hash = inet_hash, .unhash = inet_unhash, .get_port = inet_csk_get_port, .enter_memory_pressure = tcp_enter_memory_pressure, .stream_memory_free = tcp_stream_memory_free, .sockets_allocated = &tcp_sockets_allocated, .orphan_count = &tcp_orphan_count, .memory_allocated = &tcp_memory_allocated, .memory_pressure = &tcp_memory_pressure, .sysctl_mem = sysctl_tcp_mem, .sysctl_wmem = sysctl_tcp_wmem, .sysctl_rmem = sysctl_tcp_rmem, .max_header = MAX_TCP_HEADER, .obj_size = sizeof(struct tcp_sock), .slab_flags = SLAB_DESTROY_BY_RCU, .twsk_prot = &tcp_timewait_sock_ops, .rsk_prot = &tcp_request_sock_ops, .h.hashinfo = &tcp_hashinfo, .no_autobind = true, #ifdef CONFIG_COMPAT .compat_setsockopt = compat_tcp_setsockopt, .compat_getsockopt = compat_tcp_getsockopt, #endif #ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM .init_cgroup = tcp_init_cgroup, .destroy_cgroup = tcp_destroy_cgroup, .proto_cgroup = tcp_proto_cgroup, #endif }; |
所以对于TCP socket当执行connect连接的时候经过的流程大致是SYSCALL_DEFINE3 connect(系统调用)->inet_stream_connect(inet_stream_ops中定义)-> tcp_v4_connect(tcp_prot中定义)。
Family&type&protocol结合
上面分别说明了family、type、protocol这三个参数代表的意义，接下来我们把这三个参数结合起来一起看一下最后的效果。
struct inet_protosw结构体在内核中是如何初始化的呢？
| /* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into * the linked list inetsw. */ static struct inet_protosw inetsw_array[] = { { .type = SOCK_STREAM, .protocol = IPPROTO_TCP, .prot = &tcp_prot, .ops = &inet_stream_ops, .flags = INET_PROTOSW_PERMANENT | INET_PROTOSW_ICSK, },
{ .type = SOCK_DGRAM, .protocol = IPPROTO_UDP, .prot = &udp_prot, .ops = &inet_dgram_ops, .flags = INET_PROTOSW_PERMANENT, },
{ .type = SOCK_DGRAM, .protocol = IPPROTO_ICMP, .prot = &ping_prot, .ops = &inet_dgram_ops, .flags = INET_PROTOSW_REUSE, },
{ .type = SOCK_RAW, .protocol = IPPROTO_IP, /* wild card */ .prot = &raw_prot, .ops = &inet_sockraw_ops, .flags = INET_PROTOSW_REUSE, } }; |
在Af_inet.c中定义了PF_INET协议族的四个初始化的inet_protosw结构体，在内核协议栈初始化的时候通过inet_register_protosw函数将这些结构体按照类型(type)hash到全局的inetsw数组中。
图3：socket调用流程
上面是socket系统调用的一个主要的流程图，左半部分在前文中已经提到过了。当流程走到inet_create函数的时候根据type去inetsw数组中找到对应类型套接字的inet_protosw结构体，我们前面提到协议栈中已经定义了PF_INET协议族支持的inet_protosw结构体，总共有4个。
找到inet_protosw结构体以后还需要进一步判断protocol和inet_protosw中定义的protocol是否是一致的。内核中定义支持的protocol有一个特殊的值IPPROTO_IP(IPPROTO_IP为0)，可以理解为一个通配符也可以理解为一个默认值，就是说我不指定protocol，由内核自己决定使用哪一个protocol。
那么内核根据什么来选择protocol呢?就是根据内核定义的全局inetsw中对应类型的inet_protosw中的protocol。
说起来可能比较拗口，直接看一下代码就很清楚了。
| list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list) {
err = 0; /* Check the non-wild match. */ if (protocol == answer->protocol) { if (protocol != IPPROTO_IP) break; } else { /* Check for the two wild cases. */ if (IPPROTO_IP == protocol) { protocol = answer->protocol; break; } if (IPPROTO_IP == answer->protocol) break; } err = -EPROTONOSUPPORT; } |
所以如果我们在新建套接字的时候使用socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)，那么内核就会默认给你把protocol修正为IPPROTO_TCP。
好吧，其实整篇文章我就是想搞清楚这最后的一句话。
