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struct socket结构体详解
在内核中为什么要有struct socket结构体呢？
struct socket结构体的作用是什么？
下面这个图，我觉得可以回答以上两个问题。 
由这个图可知，内核中的进程可以通过使用struct socket结构体来访问linux内核中的网络系统中的传输层、网络层、数据链路层。也可以说struct socket是内核中的进程与内核中的网路系统的桥梁。
struct socket
{
socket_state state; // socket state
short type ; // socket type
unsigned long flags; // socket flags
struct fasync_struct *fasync_list;
wait_queue_head_t wait;
struct file *file;
struct sock *sock; // socket在网络层的表示；
const struct proto_ops *ops;
}
struct socket结构体的类型
enum sock_type
{
SOCK_STREAM = 1, // 用于与TCP层中的tcp协议数据的struct socket
SOCK_DGRAM = 2, //用于与TCP层中的udp协议数据的struct socket
SOCK_RAW = 3, // raw struct socket
SOCK_RDM = 4, //可靠传输消息的struct socket
SOCK_SEQPACKET = 5,// sequential packet socket
SOCK_DCCP = 6,
SOCK_PACKET = 10, //从dev level中获取数据包的socket
};
struct socket 中的flags字段取值：
#define SOCK_ASYNC_NOSPACE 0
#define SOCK_ASYNC_WAITDATA 1
#define SOCK_NOSPACE 2
#define SOCK_PASSCRED 3
#define SOCK_PASSSEC 4
我们知道在TCP层中使用两个协议：tcp协议和udp协议。而在将TCP层中的数据往下传输时，要使用网络层的协议，而网络层的协议很多，不同的网络使用不同的网络层协议。我们常用的因特网中，网络层使用的是IPV4和IPV6协议。
所以在内核中的进程在使用struct socket提取内核网络系统中的数据时，不光要指明struct socket的类型(用于说明是提取TCP层中tcp协议负载的数据，还是udp层负载的数据)，还要指明网络层的协议类型(网络层的协议用于负载TCP层中的数据)。
linux内核中的网络系统中的网络层的协议，在linux中被称为address family(地址簇，通常以AF_XXX表示）或protocol family(协议簇，通常以PF_XXX表示)。
1.创建一个struct socket结构体：
int sock_create(int family, int type, int protocol,
struct socket **res);
int sock_create_kern(int family, int type, int protocol,
struct socket **res);
EXPROT_SYMBOL(sock_create);
EXPROT_SYMBOL(sock_create_kern);
family : 指定协议簇的类型，其值为：PF_XXX或 AF_XXX
type : 指定要创建的struct socket结构体的类型；
protocol : 一般为0；
res : 中存放创建的struct socket结构体的地址；
int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
{
return __sock_create(current->nsproxy->net_ns, family, type, protocol, res, 0);
}
int sock_create_kern(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
{
return __sock_create( &init_net, family, type, protocot, res, 1 );
}
如果在内核中创建struct socket时，推荐使用sock_create_kern()函数；
// 网络协议簇结构体
struct net_proto_family
{
int family ; // 协议簇
int (*create)(struct net *net, struct socket *sock, int protocol);
struct module *owner;
};
内核中的所有的网络协议的响应的网络协议簇结构体都存放在 net_families[]指针数组中；
static struct net_proto_family *net_families[NPROTO];
static int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol,
struct socket **res, int kern )
{
struct socket *sock;
struct net_proto_family *pf;
sock = sock_alloc();//分配一个struct socket 结构体
sock->type = type;
pf = rcu_dereference(net_families[family]); //获取相应的网络协议簇结构体的地址；
pf->create(net, sock, protocol); // 对struct socket结构体做相应的处理；
*res = sock; // res中保存创建的struct socket结构体的地址；
return 0;
}
struct socket_alloc
{
struct socket socket ;
struct inode vfs_node ;
}
static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode)
{
return &contain_of(inode, struct socket_alloc, vfs->node)->socket;
}
static struct socket *sock_alloc(void)
{
struct inode *inode;
struct socket *sock;
inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);//分配一个新的struct inode节点
sock = SOCKET_I(inode);
inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;//设置inode节点的权限
inode->i_uid = current_fsuid(); // 设置节点的UID
inode->i_gid = current_fsgid(); //设置节点的GID
return sock;
}
有以上的代码可知：linux内核在使用sock_create()、sock_create_kern()
进行struct socket结构体的创建时，其本质是分配了一个struct socket_alloc
结构体，而这个struct socket_alloc结构体中包含了struct socket 和struct
inode(struct inode结构体，是linux内核用来刻画一个存放在内存中的文件的，通过将struct inode 和 struct socket绑定在一起形成struct socket_alloc结构体，来表示内核中的网络文件)。然后对分配的struct socket结构体进行初始化，来定义内核中的网络文件的类型(family, type, protocol).
在linux网络系统中还有两个非常重要的套接字地址结构体：
struct sockaddr_in
struct sockaddr;
typedef unsigned short sa_family_t;
// Internet Address
struct in_addr{
__b32 s_addr;
}
//struct describing an Internet socket address
//sockaddr_in 中存放端口号、网路层中的协议类型(ipv4,ipv6)等，网络层的IP地址；
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family ; // Address family AF_XXX
__be16 sin_port ; // 端口号
struct in_addr sin_addr ; // Internet Address
/*Pad to size of ‘struct sockaddr‘*/
...........
};
//套接字地址结构体。
struct sockaddr
{
sa_family_t sa_family; // 存放网络层所使用的协议类型(AF_XXX 或 PF_XXX);
char data[14]; // 里面存放端口号、网络层地址等信息；
}从本质上来说，struct sockaddr与struct sockaddr_in是相同的。
但在，实际的使用过程中，struct sockaddr_in是 Internet环境下的套接字地址形式，而struct sockaddr是通过的套接字地址个形式。在linux内核中struct sockaddr使用的更多，目的是使linux内核代码更为通用。
struct sockaddr_in 可以与 struct sockaddr 进行自由的转换。
2.将创建的套接字(struct socket)与套接字地址结构体(struct sockaddr or struct sockaddr_in)进行绑定：
int kernel_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *addr,
int addrlen)
EXPROT_SYMBOL(kernel_bind);
sock : 为通过sock_create()或sock_create_kern()创建的套接字；
addr : 为套接字地址结构体；
addrlen:为套接字地址结构体的大小；
3.将一个套接字(struct socket)设置为监听状态：
int kernel_listen(struct socket *sock, int backlog);
backlog :一般情况下设置为0；
EXPORT_SYMBOL(kernel_listen);
4.当把一个套接字设置为监听状态以后，使用这个套接字去监听其它的套接字；
int kernel_accept(struct socket *sock, struct socket **new_sock,
int flags);
EXPORT_SYMBOL(kernel_accept);
sock : listening socket 处于监听状态的套接字；
new_sock : 被监听的套接字；
flags: struct socket中的flags字段的取值；
5.把一个套接字连接到另一个套接字地址结构体上：
int kernel_connect(struc socket *sock, struct sockaddr *addr,
int addrlen, int flags);
EXPORT_SYMBOL(kernel_connect);
sock : struct socket;
addr : 为另一个新的套接字地址结构体；
addrlen : 套接字地址结构体的大小；
flags :file-related flags associated with socket
6.把一个应用层中的数据发送给另一个设备中的进程：
int kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
struct kvec *vec, size_t num, size_t size)
EXPORT_SYMBOL(kernel_sendmsg);
sock : 为当前进程中的struct socket套接字；
msg : 用于接收来自应用层的数据包；
kvec : 中存放将要发送出去的数据；
num : 见代码；
size : 为将要发送的数据的长度；
struct iovec
{
void __user *iov_base;
__kernel_size_t iov_len;
}
struct msghdr
{
//用于存放目的进程所使用的套接字地址
void *msg_name; // 用于存放目的进程的struct sockaddr_in
int msg_namelen; // 目的进程的sizeof(struct sockaddr_in)
//用于来自应用层的数据
struct iovec *msg_iov ;// 指向一个struct iovec的数组，数组中的每个成员表示一个数据块
__kernel_size_t msg_iovlen ; //数据块数，即struct iovec数组的大小
//用于存放一些控制信息
void *msg_control ;
__kernel_size_t msg_controllen; //控制信息的长度；
//
int msg_flags;
}struct kvec
{
void *iov_base; //用于存放来自应用层的数据；
size_t iov_len; //来自应用层的数据的长度；
}int kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
struct kvec *vec, size_t num, size_t size)函数的实现为：
有kernel_sendmsg()的实现代码可知，struct kvec中的数据部分最终还是要放到struct msghdr之中去的。
也可以使用下面这个函数来实现相同的功能：
int sock_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
size_t size);
EXPORT_SYMBOL(sock_sendmsg);
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