socket 的通信过程

1.建立套接字

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：

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：

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
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：

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。

2．在 INET BSD 套接字上绑定（bind）地址

为了监听传入的 Internet 连接请求，每个服务器都需要建立一个 INET BSD 套接字，并且将自己的地址绑定到该套接字。绑定操作主要在 INET 套接字层中进行，还需要底层 TCP 层和 IP 层的某些支持。将地址绑定到某个套接字上之后，该套接字就不能用来进行任何其他的通讯，因此，该 socket数据结构的状态必须为 TCP_CLOSE。传递到绑定操作的 sockaddr 数据结构中包含要绑定的 IP地址，以及一个可选的端口地址。通常而言，要绑定的地址应该是赋予某个网络设备的 IP 地址，而该网络设备应该支持 INET 地址族，并且该设备是可用的。利用 ifconfig 命令可查看当前活动的网络接口。被绑定的 IP 地址保存在 sock 数据结构的rcv_saddr 和 saddr 域中，这两个域分别用于哈希查找和发送用的 IP 地址。端口地址是可选的，如果没有指定，底层的支持网络会选择一个空闲的端口。

当底层网络设备接受到数据包时，它必须将数据包传递到正确的 INET 和 BSD 套接字以便进行处理，因此，TCP维护多个哈希表，用来查找传入 IP 消息的地址，并将它们定向到正确的socket/sock 对。TCP 并不在绑定过程中将绑定的 sock 数据结构添加到哈希表中，在这一过程中，它仅仅判断所请求的端口号当前是否正在使用。在监听操作中，该 sock 结构才被添加到 TCP 的哈希表中。

3．在 INET BSD 套接字上建立连接（connect）

创建一个套接字之后，该套接字不仅可以用于监听入站的连接请求，也可以用于建立出站的连接请求。不论怎样都涉及到一个重要的过程：建立两个应用程序之间的虚拟电路。出站连接只能建立在处于正确状态的 INET BSD 套接字上，因此，不能建立于已建立连接的套接字，也不能建立于用于监听入站连接的套接字。也就是说，该 BSD socket 数据结构的状态必须为 SS_UNCONNECTED。

在建立连接过程中，双方 TCP 要进行三次“握手”，具体过程在 本章第二节——网络协议一文中有详细介绍。如果 TCP sock 正在等待传入消息，则该 sock 结构添加到 tcp_listening_hash 表中，这样，传入的 TCP 消息就可以定向到该 sock 数据结构。

4．监听（listen） INET BSD 套接字

当某个套接字被绑定了地址之后，该套接字就可以用来监听专属于该绑定地址的传入连接。网络应用程序也可以在未绑定地址之前监听套接字，这时，INET 套接字层将利用空闲的端口编号并自动绑定到该套接字。套接字的监听函数将 socket 的状态改变为 TCP_LISTEN。

当接收到某个传入的 TCP 连接请求时，TCP 建立一个新的 sock 数据结构来描述该连接。当该连接最终被接受时，新的 sock 数据结构将变成该 TCP 连接的内核bottom_half部分，这时，它要克隆包含连接请求的传入 sk_buff 中的信息，并在监听 sock 数据结构的 receive_queue 队列中将克隆的信息排队。克隆的 sk_buff 中包含有指向新 sock 数据结构的指针。

5．接受连接请求 （accept）

接受操作在监听套接字上进行，从监听 socket 中克隆一个新的 socket 数据结构。其过程如下：接受操作首先传递到支持协议层，即 INET 中，以便接受任何传入的连接请求。相反，接受操作进一步传递到实际的协议，例如 TCP 上。接受操作可以是阻塞的，也可以是非阻塞的。接受操作为非阻塞的情况下，如果没有可接受的传入连接，则接受操作将失败，而新建立的 socket 数据结构被抛弃。接受操作为阻塞的情况下，执行阻塞操作的网络应用程序将添加到等待队列中，并保持挂起直到接收到一个 TCP 连接请求为至。当连接请求到达之后，包含连接请求的 sk_buff 被丢弃，而由 TCP 建立的新 sock 数据结构返回到 INET 套接字层，在这里，sock 数据结构和先前建立的新 socket 数据结构建立链接。而新 socket 的文件描述符（fd）被返回到网络应用程序，此后，应用程序就可以利用该文件描述符在新建立的 INET BSD 套接字上进行套接字操作。

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