套接字socket 的地址族和类型、工作原理、创建过程

注：本分类下文章大多整理自《深入分析linux内核源代码》一书，另有参考其他一些资料如《linux内核完全剖析》、《linux c 编程一站式学习》等，只是为了更好地理清系统编程和网络编程中的一些概念性问题，并没有深入地阅读分析源码，我也是草草翻过这本书，请有兴趣的朋友自己参考相关资料。此书出版较早，分析的版本为2.4.16，故出现的一些概念可能跟最新版本内核不同。

此书已经开源，阅读地址 http://www.kerneltravel.net

一、套接字socket

（一）、套接字在网络中的地位和作用

socket 在网络系统中的作用如下。

（1）socket 位于网络协议之上，屏蔽了不同网络协议之间的差异。

（2）socket 是网络编程的入口，它提供了大量的系统调用，构成了网络程序的主体。

（3）在Linux 系统中，socket 属于文件系统的一部分，网络通信可以被看作是对文件的读取，使得我们对网络的控制和对文件的控制一样方便。

（二）、套接字接口的种类

Linux 支持多种套接字种类，不同的套接字种类称为“地址族”，这是因为每种套接字种类拥有自己的通信寻址方法。Linux 所支持的套接字地址族见表12.3。Linux 将上述套接字地址族抽象为统一的 BSD 套接字接口，应用程序关心的只是 BSD 套接字接口，而 BSD 套接字由各地址族专有的软件支持。一般而言，BSD 套接字可支持多种套接字类型，不同的套接字类型提供的服务不同，Linux 所支持的部分 BSD 套接字类型见表12.4，但表12.3 中的套接字地址族并不一定全部支持表12.4 中的这些套接字类型。

（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，它位于TCP 之上，BSD 套接字之下，如图12.8 所示，这里也体现了Linux 网络模块分层的设计思想。

INET 和 BSD 套接字之间的接口通过 Internet 地址族套接字操作集实现，这些操作集实际是一组协议的操作例程，在include/linux/net.h 中定义为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); };

这个操作集类似于文件系统中的file_operations 结构。BSD 套接字层通过调用proto_ops 结构中的相应函数执行任务。BSD 套接字层向 INET 套接字层传递 socket 数据结构来代表一个 BSD 套接字，socket 结构在include/linux/net.h 中定义如下：

 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 套接字层中，它利用自己的 sock 数据结构来代表该套接字，因此，这两个结构之间存在着链接关系，sock 结构定义于include/net/sock.h。在 BSD 的 socket 数据结构中存在一个指向sock 的指针sk，而在sock 中又有一个指向socket 的指针，这两个指针将 BSD socket 数据结构和sock 数据结构链接了起来。通过这种链接关系，套接字调用就可以方便地检索到 sock 数据结构。实际上，sock 数据结构可适用于不同的协议，它也定义有自己的协议操作集proto_ops。在建立套接字时，sock数据结构的协议操作集指针指向所请求的协议操作集。如果请求 TCP，则 sock 数据结构的协议操作集指针将指向 TCP 的协议操作集。

BSD 套接字上的详细操作与具体的底层地址族有关，底层地址族的不同实际意味着寻址方式、采用的协议等的不同。Linux 利用 BSD 套接字层抽象了不同的套接字接口。在内核的初始化阶段，内建于内核的不同地址族分别以 BSD 套接字接口在内核中注册。然后，随着应用程序创建并使用 BSD 套接字。内核负责在 BSD 套接字和底层的地址族之间建立联系。这种联系通过交叉链接数据结构以及地址族专有的支持例程表建立。在内核中， 地址族和协议信息保存在inet_protos 向量中， 其定义于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; };

每个地址族由其名称以及相应的初始化例程地址代表。在引导阶段初始化套接字接口时，内核调用每个地址族的初始化例程，这时，每个地址族注册自己的协议操作集。协议操作集实际是一个例程集合，其中每个例程执行一个特定的操作。

（四）、套接字的创建过程

Linux 在利用socket()系统调用建立新的套接字时，需要传递套接字的地址族标识符、套接字类型以及协议，其函数定义于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; }

实际上，套接字对于用户程序而言就是特殊的已打开的文件。内核中为套接字定义了一种特殊的文件类型，形成一种特殊的文件系统sockfs，其定义于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);

在系统初始化时，要通过kern_mount()安装这个文件系统。安装时有个作为连接件的vfsmount 数据结构，这个结构的地址就保存在一个全局的指针sock_mnt 中。所谓创建一个套接字，就是在sockfs 文件系统中创建一个特殊文件，或者说一个节点，并建立起为实现套接字功能所需的一整套数据结构。所以，函数sock_create()首先是建立一个socket 数据结构，然后将其“映射”到一个已打开的文件中，进行socket 结构和sock 结构的分配和初始化。

新创建的 BSD socket 数据结构包含有指向地址族专有的套接字例程的指针，这一指针实际就是 proto_ops 数据结构的地址。

BSD 套接字的套接字类型设置为所请求的 SOCK_STREAM 或 SOCK_DGRAM 等。然后，内核利用 proto_ops 数据结构中的信息调用地址族专有的创建例程。之后，内核从当前进程的 fd 向量中分配空闲的文件描述符，该描述符指向的 file 数据结构被初始化。初始化过程包括将文件操作集指针指向由 BSD 套接字接口支持的 BSD 文件操作集。所有随后的套接字（文件）操作都将定向到该套接字接口，而套接字接口则会进一步调用地址族的操作例程，从而将操作传递到底层地址族，如图12.10 所示。

实际上，socket 结构与sock 结构是同一事物的两个方面。如果说socket 结构是面向进程和系统调用界面的，那么sock 结构就是面向底层驱动程序的。可是，为什么不把这两个数据结构合并成一个呢？我们说套接字是一种特殊的文件系统，因此，inode 结构内部的union 的一个成分就用作socket 结构，其定义如下：

 C++ Code 

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

由于套接字操作的特殊性，这个结构中需要大量的结构成分。可是，如果把这些结构成分全都放在socket 结构中，则inode 结构中的这个union 就会变得很大，从而inode 结构也会变得很大，而对于其他文件系统，这个union 成分并不需要那么庞大。因此，就把套接字所需的这些结构成分拆成两部分，把与文件系统关系比较密切的那一部分放在socket 结构中，把与通信关系比较密切的那一部分则单独组成一个数据结构，即sock 结构。由于这两部分数据在逻辑上本来就是一体的，所以要通过指针互相指向对方，形成一对一的关系。