玩转Linux内核套接字(socket)原理与机制

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1、套接字基本知识

2、套接字表示方式

套接字socket=(ip地址：端口号)，套接字表示方法采用点分十进制的ip地址后面写上端口号，中间用冒号或逗号隔开。每个传输层连接唯一地被通信两的两个端点（两个套接字）所确定。比如IP地址是192.168.2.34，端口号是89，那么对应套接字就是(192.168.2.34:89)。

3、socket在网络当中地位及作用

socket在所有的网络操作系统中是必不可少，而且在所有的网络应用唾弃中也是必不可少。它是网络通信中应用程序对应的进程和网络协议之间的接口。具体套接字在网络系统中地位如下：

套接字在网络系统中作用：

a.socket在协议之上，屏蔽不同网络协议之间的差异；

b.socket是网络编程入口，提供大量系统调用，构成网络程序的主体；

c.在Linux系统中，socket属于文件系统的一部分。

4、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”。Linux所支持的部分BSD套接字类型常见如下：

套接字地址族 说明

UNIX UNIX域套接字

INET 通过TCP/IP协议支持的Internet地址族

AX25 Amater radio X25

APPLETALK Appletalk DDP

IPX Novell IPX

X25 X25

Linux所支持的BSD套接字类型

流（stream）：提供可靠的双向顺序数据流，可以保证数据不会在传输过程中丢失、破坏或重复出现。流套接字通过INET地址族的TCP协议实现。

数据报（datagram）：提供双向的数据传输，但是并不对数据的传输过程中提供担保，意思是说，数据可能会以错误的顺序传递，甚至丢失或破坏。这种类型的套接字通过INET地址族的UDP协议实现。

原始（raw）：利用这种类型的套接字，进程可以直接访问底层协议（称为原始）。

可靠发送的消息：和数据报套接字类似，但保证数据被正确传输到目的端。

顺序数据包：和流套接字类似，但数据包大小是固定的。

数据包（packet）：并不是标准的BSD套接字类型，它是Linux专有的BSD套接字扩展，可允许进程直接在设备访问数据包。

一、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，这也是能够体现Linux网络模块分层的设计架构思想。INET套接字视图如下：

INET和BSD套接字之间的接口通过Internet地址族套接字操作集进行实现，操作集实际是一组协议操作例程，具体对应内核源码如下：

// Internet地址族套接字操作集（一组协议操作例程）

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, bool kern);

int (*getname) (struct socket *sock,

struct sockaddr *addr,

int peer);

__poll_t (*poll) (struct file *file, struct socket *sock,

struct poll_table_struct *wait);

int (*ioctl) (struct socket *sock, unsigned int cmd,

unsigned long arg);

#ifdef CONFIG_COMPAT

int (*compat_ioctl) (struct socket *sock, unsigned int cmd,

unsigned long arg);

#endif

int (*gettstamp) (struct socket *sock, void __user *userstamp,

bool timeval, bool time32);

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, unsigned int optlen);

int (*getsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, int __user *optlen);

#ifdef CONFIG_COMPAT

int (*compat_setsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, unsigned int optlen);

int (*compat_getsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, int __user *optlen);

#endif

void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct socket *sock);

int (*sendmsg) (struct socket *sock, struct msghdr *m,

size_t total_len);

/* Notes for implementing recvmsg:

* ===============================

* msg->msg_namelen should get updated by the recvmsg handlers

* iff msg_name != NULL. It is by default 0 to prevent

* returning uninitialized memory to user space. The recvfrom

* handlers can assume that msg.msg_name is either NULL or has

* a minimum size of sizeof(struct sockaddr_storage).

*/

int (*recvmsg) (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);

ssize_t (*splice_read)(struct socket *sock, loff_t *ppos,

struct pipe_inode_info *pipe, size_t len, unsigned int flags);

int (*set_peek_off)(struct sock *sk, int val);

int (*peek_len)(struct socket *sock);

/* The following functions are called internally by kernel with

* sock lock already held.

*/

int (*read_sock)(struct sock *sk, read_descriptor_t *desc,

sk_read_actor_t recv_actor);

int (*sendpage_locked)(struct sock *sk, struct page *page,

int offset, size_t size, int flags);

int (*sendmsg_locked)(struct sock *sk, struct msghdr *msg,

size_t size);

int (*set_rcvlowat)(struct sock *sk, int val);

};

BSD套接字层通过调用proto_ops结构中相应函数执行对应任务。BSD套接字层向INET套接字层传递socket数据结构直接来代表一个BSD套接字，socket结构数据类型对应内核具体源码如下：

进程在利用套接字进程通信时，采用C/S模型。服务器首先创建一个套接字，并将某个名称绑定到此套接字上面，套接字的名称依赖于套接字的底层地址族。但通常是服务器的本地地址。套接字的名称地址通过sockaddr数据结构指定，具体内核源码如下：

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