五.网络协议部分
协议层是真正实现是在这一层。在linux/include/linux/socket.h里面，Linux的BSD
Socket定义了多至32支持的协议族，其中PF_INET就是我们最熟悉的TCP/IP协议族(IPv4, 以下没有特别声明都指IPv4)。以这个协议族为例，看看这层是怎么工作的。实现TCP/IP协议族的主要文件在inux/net/ipv4/目录下面，Linux/net/ipv4/af_inet.c为主要的管理文件。
在Linux2.4.16里面，实现了TCP/IP协议族里面的的IGMP,TCP,UDP,ICMP,ARP,IP。我们先讨论一下这些协议之间的关系。IP和ARP协议是需要直接和网络设备接口打交道的协议，也就是需要从网络核心模块(core)
接收数据和发送数据的。而其它协议TCP,UDP,IGMP,ICMP是需要直接利用IP协议的，需要从IP协议接收数据，以及利用IP协议发送数据，同时还要向上层Socket层提供直接的调用接口。可以看到IP层是一个核心的协议，向下需要和下层打交道，又要向上层提供所以的传输和接收的服务。
先来看看IP协议层。网络核心模块(core) 如果接收到IP层的数据，通过ptype_base[ETH_P_IP] 数组的IP层的项指向的IP协议的ip_packet_type->ip_rcv()函数把数据包传递给IP层,也就是说IP层通过这个函数ip_rcv()(linux/net/ipv4/ip_input.c)接收数据的。ip_rcv()这个函数只对IP数据保做了一些checksum的检查工作，如果包是正确的就把包交给了下一个处理函数ip_rcv_finish()(注意调用是通过NF_HOOK这个宏实现的)。现在，ip_rcv_finish()这个函数真正要完成一些IP层的工作了。IP层要做的主要工作就是路由，要决定把数据包往那里送。路由的工作是通过函数ip_route_input()(/linux/net/ipv4/route.c,line 1622)实现的。对于进来的包可能的路由有这些：
属于本地的数据(即是需要传递给TCP，UDP，IGMP这些上层协议的) ；
需要要转发的数据包(网关或者NAT服务器之类的)；
不可能路由的数据包(地址信息有误)；
我们现在关心的是如果数据是本地数据的时候怎么处理。ip_route_input()调用ip_route_input_slow()(net/ipv4/route.c, line 1312)，在ip_route_input_slow()里面的1559行rth->u.dst.input=
ip_local_deliver，这就是判断到IP包是本地的数据包，并把本地数据包处理函数的地址返回。好了，路由工作完成了，返回到ip_rcv_finish()。ip_rcv_finish()最后调用拉skb->dst->input(skb)，从上面可以看到，这其实就是调用了ip_local_deliver()函数，而ip_local_deliver(),接着就调用了ip_local_deliver_finish()。现在真正到了往上层传递数据包的时候了。
现在的情形和网络核心模块层(core) 往上层传递数据包的情形非常相似,怎么从多个协议选择合适的协议，并且往这个协议传递数据呢？网络网络核心模块层(core) 通过一个数组ptype_base[16]保存了注册了的所有可以接收数据的协议，同样网络协议层也定义了这样一个数组struct net_protocol*inet_protos[MAX_INET_PROTOS](/linux/net/ipv4/protocol.c#L102),它保存了所有需要从IP协议层接收数据的上层协议(IGMP，TCP，UDP，ICMP)的接收处理函数的地址。我们来看看TCP协议的数据结构是怎么样的：
linux/net/ipv4/protocol.c line67
static struct inet_protocol tcp_protocol = {
handler: tcp_v4_rcv,// 接收数据的函数
err_handler: tcp_v4_err,// 出错处理的函数
next: IPPROTO_PREVIOUS,
protocol: IPPROTO_TCP,
name: "TCP"
};
第一项就是我们最关心的了，IP层可以通过这个函数把数据包往TCP层传的。在linux/net/ipv4/protocol.c的上部，我们可以看到其它协议层的处理函数是igmp_rcv(),
udp_rcv(), icmp_rcv()。同样在linux/net/ipv4/protocol.c，往数组inet_protos[MAX_INET_PROTOS] 里面添加协议是通过函数inet_add_protocol()实现的，删除协议是通过 inet_del_protocol()实现的。inet_protos[MAX_INET_PROTOS]初始化的过程在linux/net/ipv4/af_inet.c inet_init()初始化函数里面。
inet_init(){
……
printk(KERN_INFO "IP Protocols: ");
for (p = inet_protocol_base; p != NULL;) {
struct inet_protocol *tmp = (struct inet_protocol *) p->next;
inet_add_protocol(p);// 添加协议
printk("%s%s",p->name,tmp?", ":"\n");
p = tmp;
………
}
如果你在Linux启动的时候有留意启动的信息, 或者在linux下打命令dmesg就可以看到这一段程序输出的信息：
IP Protocols： ICMP，UDP，TCP，IGMP也就是说现在数组inet_protos[]里面有了ICMP，UDP，TCP，IGMP四个协议的inet_protocol数据结构，数据结构包含了它们接收数据的处理函数。
Linux 2.4.16在linux/include/linux/socket.h里定义了32种支持的BSDsocket协议，常见的有TCP/IP,IPX/SPX,X.25等，而每种协议还提供不同的服务，例如TCP/IP协议通过TCP协议支持连接服务，而通过UDP协议支持无连接服务，面对这么多的协议，向用户提供统一的接口是必要的，这种统一是通过socket来进行的。
在BSD socket网络编程的模式下，利用一系列的统一的函数来利用通信的服务。例如一个典型的利用TCP协议通信程序是这样：
sock_descriptor = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
connect(sock_descriptor, 地址，) ；
send(sock_descriptor,”hello world”);
recv(sock_descriptor,buffer,1024,0);
第一个函数指定了协议Inet协议，即TCP/IP协议，同时是利用面向连接的服务，这样就对应到TCP协议，以后的操作就是利用socket的标准函数进行的。
从上面我们可以看到两个问题，首先socket层需要根据用户指定的协议族(上面是AF_INET)
从下面32种协议中选择一种协议来完成用户的要求，当协议族确定以后，还要把特定的服务映射到协议族下的具体协议，例如当用户指定的是面向连接的服务时，Inet协议族会映射到TCP协议。
从多个协议中选择用户指定的协议，并把具体的出理交给选中的协议，这和一起网络核心层向上和向下衔接的问题本质上是一样的，所以解决的方法也是一样的，同样还是通过数组。在Linux/net/socket.c定义了这个数组staticstruct net_proto_family *net_families[NPROTO] 。数组的元素已经确定了，net_families[2] 是TCP/IP协议，net_families[3]
是X.25协议，具体那一项对应什么协议，在include/linux/socket.h有定义。但是每一项的数据结构net_proto_family的ops是空的，也就是具体协议处理函数的地址是不知道的。协议的处理函数和ops建立联系是通过sock_register()(Linux/net/socket.c)这个函数建立的，例如TCP/IP协议的是这样建立关系的：
int __init inet_init(void) (net/ipv4/af_inet.c)
{
(void) sock_register(&inet_family_ops);
}
只要给出AF_INET(在宏里定义是2)，就可以找到net_failies[2] 里面的处理函数了。
协议的映射完成了，现在要进行服务的映射了。上层当然不可能知道下层的什么协议能对应特定的服务，所以这种映射自然由协议族自己完成。在TCP/IP协议族里，这种映射是通过struct
list_head inetsw[SOCK_MAX]( net/ipv4/af_inet.c)
这个数组进行映射的，在谈论这个数组之前我们来看另外一个数组inetsw_array[](net/ipv4/af_inet.c)
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
{
type: SOCK_STREAM,
protocol: IPPROTO_TCP,
prot: &tcp_prot,
ops: &inet_stream_ops,
capability: -1,
no_check: 0,
flags: INET_PROTOSW_PERMANENT,
},
{
type: SOCK_DGRAM,
protocol: IPPROTO_UDP,
prot: &udp_prot,
ops: &inet_dgram_ops,
capability: -1,
no_check: UDP_CSUM_DEFAULT,
flags: INET_PROTOSW_PERMANENT,
},
{
type: SOCK_RAW,
protocol: IPPROTO_IP, /* wild card */
prot: &raw_prot,
ops: &inet_dgram_ops,
capability: CAP_NET_RAW,
no_check: UDP_CSUM_DEFAULT,
flags: INET_PROTOSW_REUSE,
}
};
我们看到，SOCK_STREAM映射到了TCP协议，SOCK_DGRAM映射到了UDP协议，SOCK_RAW映射到了IP协议。现在只要把inetsw_array里的三项添加到数组inetsw[SOCK_MAX]就可以了，添加是通过函数inet_register_protosw()实现的。在inet_init()
(net/ipv4/af_inet.c) 里完成了这些工作。
还有一个需要映射的就是socket其它诸如accept,send(),
connect(),release(),bind()等的操作函数是怎么映射的呢？我们来看一下上面的数组的TCP的项
{
type: SOCK_STREAM,
protocol: IPPROTO_TCP,
prot: &tcp_prot,
ops: &inet_stream_ops,
capability: -1,
no_check: 0,
flags: INET_PROTOSW_PERMANENT,
},
我们看到这种映射是通过ops，和prot来映射的，我们再来看看 tcp_prot这一项：
struct proto tcp_prot = {
name: "TCP",
close: tcp_close,
connect: tcp_v4_connect,
disconnect: tcp_disconnect,
accept: tcp_accept,
ioctl: tcp_ioctl,
init: tcp_v4_init_sock,
destroy: tcp_v4_destroy_sock,
shutdown: tcp_shutdown,
setsockopt: tcp_setsockopt,
getsockopt: tcp_getsockopt,
sendmsg: tcp_sendmsg,
recvmsg: tcp_recvmsg,
backlog_rcv: tcp_v4_do_rcv,
hash: tcp_v4_hash,
unhash: tcp_unhash,
get_port: tcp_v4_get_port,
};
所以的映射都已经完成了，用户调用connect()函数，其实就是调用了tcp_v4_connect()函数，按照这幅图，读起源码来就简单了很多了。
六 Socket层
上一节把socket层大多数要讨论的东西都谈论了，现在只讲讲socket 层和用户的衔接。
系统调用socket(),bind(),connect(),accept,send(),release()等是在Linux/net/socket.c里面的实现的,系统调用实现的函数是相应的函数名加上sys_的前缀。
现在看看当用户调用socket()这个函数，到底下面发生了什么。
Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)调用了sys_socket(),sys_socket()接着调用socket_creat(),socket_creat()就要根据用户提供的协议族参数在net_families[]里寻找合适的协议族，如果协议族没有被安装就要请求安装该协议族的模块，然后就调用该协议族的create()函数的处理句柄。根据参数AF_INET，inet_creat()就被调用了，在inet_creat()根据服务类型在inetsw[SOCK_MAX]
选择合适的协议，并把协议的操作集赋给socket就是了，根据SOCK_STREAM，TCP协议被选中，
inet_creat(){
answer=inetsw [用户要求服务服务] ；
sock->ops = answer->ops;
sk->prot = answer->prot
}
到此为止，上下都打通了，该是大家都源码的时候了。 |
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