Internet 网络协议族

1、linux目前支持多种协议族，每个协议族用一个net_porto_family结构实例来表示，在初始化时，会调用sock_register()函数初始化注册到net_families[NPROTO]中去；

同时出现了一个地址族的概念，目前协议族和地址族是一 一 对应关系。历史上曾经有一个协议族支持多个地址族，实际上从未实现过。在socket.h文件中PF_XX和AF_XX 值一样

2、由于不同协议族的结构差别很大，为了封装统一，以便在初始化时，可以统一接口，于是就有了net_proto_family。其用sock_register统一注册，初始化钩子，具体初始化，其实现见钩子实现，类似于VFS 的实现方式。一种很好的设计思想。

/*ops->create在应用程序创建套接字的时候，引起系统调用，从而在函数__sock_create中执行ops->create  netlink为netlink_family_ops
应用层创建套接字的时候，内核系统调用sock_create，然后执行该函数
pf_inet的net_families[]为inet_family_ops，对应的套接口层ops参考inetsw_array中的inet_stream_ops inet_dgram_ops inet_sockraw_ops，
传输层操作集分别为tcp_prot udp_prot raw_prot
netlink的net_families[]netlink_family_ops，对应的套接口层ops为netlink_ops
family协议族通过sock_register注册  传输层接口tcp_prot udp_prot netlink_prot等通过proto_register注册
IP层接口通过inet_add_protocol(&icmp_protocol等注册 ，这些组成过程参考inet_init函数*/

struct net_proto_family {//操作集参考inetsw_array
    int        family;
    int        (*create)(struct net *net, struct socket *sock,
                  int protocol, int kern);协议族的套接字创建函数指针，每个协议族实现都不同
    struct module    *owner;
};

Internet 协议族的net_proto_family结构实例为inet_family_ops，创建套接字socket时，其调用接口为inet_create().

2、inet_protosw 结构

/* This is used to register socket interfaces for IP protocols.  */
struct inet_protosw {
	struct list_head list;/* 初始化时将相同的type的inet_protosw散列在同一个链表*/

        /* These two fields form the lookup key.  */
	unsigned short	 type;	   /* This is the 2nd argument to socket(2). 表示套接口字的类型，对于Internet 协议族有三种类型 SOCK_STREAM SOCK_DGRAM SOCK_RAW 对于与应用层socket函数的第二个参数type*/
	unsigned short	 protocol; /* This is the L4 protocol number.  */

	struct proto	 *prot; /*套接口网络层口，tcp为tcp_port udp为udp_port 原始套接字为raw_port*/
	const struct proto_ops *ops;/* 套接口传输层接口，tcp为inet_stream_ops,udp 为inet_dgram_ops,原始套接字为inet_sockraw_ops*/

	unsigned char	 flags;      /* See INET_PROTOSW_* below.  */

};

#define INET_PROTOSW_REUSE 0x01         /* Are ports automatically reusable? 端口重用*/
#define INET_PROTOSW_PERMANENT 0x02  /* Permanent protocols are unremovable. 协议不能被替换卸载*/
#define INET_PROTOSW_ICSK      0x04  /* Is this an inet_connection_sock? 是不是为连接类型的接口*/

tcp 不能被替换卸载切为连接型套接字，udp 不能被替换和卸载，rawsocket端口可以重用。

/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into
 * the linked list inetsw.
 在初始化的时候我们会将上面数组中的的元素按套接字类型插入static struct list_head inetsw[SOCK_MAX];链表数组中
 */
 /*
  * inetsw_array数组包含三个inet_protosw结构的实例，分别对应
  * TCP、UDP和原始套接字。在Internet协议族初始化函数inet_init()中
  * 调用inet_register_protosw()将inetsw_array数组中
  * 的inet_protosw结构实例，以其type值为key组织到散列表inetsw中，
  * 也就是说各协议族中type值相同而protocol值不同的inet_protosw结构
  * 实例，在inetsw散列表中以type为关键字连接成链表，通过inetsw
  * 散列表可以找到所有协议族的inet_protosw结构实例。
  */ //ipv4_specific是TCP传输层到网络层数据发送以及TCP建立过程的真正OPS，在tcp_prot->init中被赋值给inet_connection_sock->icsk_af_ops
static struct inet_protosw inetsw_array[] =   //这个和应用层创建套接字相关，个人我理解是属于套接口层,为了把套接口层和传输层衔接起来(tcp_protocol udp_protol icmp_protocol)
{
	{
		.type =       SOCK_STREAM, //在inet_create的时候，用它做为关键字，把下面这几个成员联系在一起
		.protocol =   IPPROTO_TCP,

    //tcp_prot udp proto raw_proto头添加到的proto_list中，通过遍历该链表就可以知道有哪些传输层协议添加到该链表中
//协议最终都是通过inet_init中的proto_register添加到proto_list链表中的。family协议族通过sock_register注册
//传输层接口tcp_prot udp_prot netlink_prot等通过proto_register注册
//IP层接口通过inet_add_protocol(&icmp_protocol等注册 ，这些组成过程参考inet_init函数
		.prot =       &tcp_prot,//传输层操作集  在inet_create中的sk_alloc中赋值
// 先执行ops中的函数，然后执行prot中对应的函数 proto结构为网络接口层，
//结构中的操作实现传输层的操作和从传输层到网络层调用的跳转，
//在proto结构中的某些成员跟proto_ops结构中的成员对应，比如connect()等
		.ops =        &inet_stream_ops,//套接口层操作集,也就是协议族操作集
// 用来区分协议族(netlink family(ops为netlink_ops)或者 inet family)
// ops在创建套接字的时候被赋值，例如netlink赋值的地方在__netlink_create  pf_net赋值的地方在inet_create中
		.no_check =   0, //为0表示始终进行校验和操作
		.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
			      INET_PROTOSW_ICSK,
	},

	{
		.type =       SOCK_DGRAM,
		.protocol =   IPPROTO_UDP,
		.prot =       &udp_prot,//传输层操作集  在inet_create中的sk_alloc中赋值  先执行ops中的函数，然后执行prot中对应的函数
		.ops =        &inet_dgram_ops,//套接口层操作集 用来区分协议族(netlink family(ops为netlink_ops)或者 inet family)
// ops在创建套接字的时候被赋值，例如netlink赋值的地方在__netlink_create  pf_net赋值的地方在inet_create中
		.no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
		.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },

       {
	       .type =       SOCK_RAW,  //原始套接口
	       .protocol =   IPPROTO_IP,	/* wild card */
	       .prot =       &raw_prot,//传输层操作集  在inet_create中的sk_alloc中赋值  先执行ops中的函数，然后执行prot中对应的函数
	       .ops =        &inet_sockraw_ops,//套接口层操作集
//用来区分协议族(netlink family(ops为netlink_ops)或者 inet family)  ops在创建套接字的时候被赋值，
//例如netlink赋值的地方在__netlink_create  pf_net赋值的地方在inet_create中
	       .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
	       .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

3、net_protocol 结构

net_protocol 结构定义了传输层协议（包含icmp igmp协议）以及传输层的报文接收例程，此结构是网络层和传输层之间的桥梁。

/*
 * inet_add_protocol函数用于将上述结构的实例(指针)
 * 存储到inet_protos 数组中
 * update:
 *  net_protocol是一个非常重要的结构，定义了协议族中支持的传输层协议以及传输层的报文接收实例。此结构是网络层和 传输层之间的桥梁，当网络数据包从网络层流向传输层时，
 * 会调用此结构中的传输层协议数据时，会调用此结构中的传输层协议数据报接收处理函数。
 *
 * 内核中为Internet协议族定义了4个net_protocol结构实例---
 * icmp_protocol、udp_protocol、tcp_protocol和igmp_protocol
 * ,分别与ICMP、UDP、TCP和IGMP协议一一对应。在Internet协议族
 * 初始化时，调用inet_add_protocol()将它们注册到net_protocol
 * 结构指针数组inet_protos[MAX_INET_PROTOS]中。在系统运行
 * 过程中，随时可以用内核模块加载/卸载方式，调用函数inet_add_protocol()
 * /inet_del_protocol()将net_protocol结构实例注册到inet_protos[]数组中，
 * 或从中删除。
 *///ops = rcu_dereference(inet_protos[proto]);通过该函数获取对应的协议ops
/* This is used to register protocols. */
struct net_protocol {
	void			(*early_demux)(struct sk_buff *skb);
	  /* 分组将传递到该函数进行进一步处理*/
    /*
     * 传输层协议数据包接收处理函数指针，当网络层接收IP数据包
     * 之后，根据IP数据包所指示传输层协议，调用对应传输层
     * net_protocol结构的该例程接收报文。
     * TCP协议的接收函数为tcp_v4_rcv()，UDP协议的接收函数为
     * udp_rcv()，IGMP协议为igmp_rcv()，ICMP协议为icmp_rcv()。
     */
	int			(*handler)(struct sk_buff *skb);
	   /*
        * 在接收到ICMP错误信息并需要传递到更高层时，
        * 调用该函数
        */
    /*
     * 在ICMP模块中接收到差错报文后，会解析差错报文，并根据
     * 差错报文中原始的IP首部，调用对应传输层的异常处理
     * 函数err_handler。TCP协议为tcp_v4_err()，UDP为
     * udp_err()，IGMP则无。
     */
	void			(*err_handler)(struct sk_buff *skb, u32 info);
	   /*
     * no_policy标识在路由时是否进行策略路由。TCP和UDP默认不进行
     * 策略路由。
     */
	unsigned int		no_policy:1,
				netns_ok:1,
				/* does the protocol do more stringent
				 * icmp tag validation than simple
				 * socket lookup?
				 */
				icmp_strict_tag_validation:1;
};

初始化后的inet_protos 如下：

4、Internet协议族的初始化

Internet协议初始化函数为inet_init ，通过fs_initcall调用，加载到内核中；

/设备物理层的初始化net_dev_init
 TCP/IP协议栈初始化inet_init  传输层的协议初始化也在这里面
 传输层初始化proto_init  只是为了显示各种协议用的
 套接口层初始化sock_init  netfilter_init在套接口层初始化的时候也初始化了

static int __init inet_init(void)
{
    struct inet_protosw *q;
    struct list_head *r;
    int rc = -EINVAL;

    sock_skb_cb_check_size(sizeof(struct inet_skb_parm));

    rc = proto_register(&tcp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out;

    rc = proto_register(&udp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_tcp_proto;

    rc = proto_register(&raw_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_udp_proto;

    rc = proto_register(&ping_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_raw_proto;

    /*
     *    Tell SOCKET that we are alive...
     */

    (void)sock_register(&inet_family_ops);

#ifdef CONFIG_SYSCTL
    ip_static_sysctl_init();
#endif

    /*
     *    Add all the base protocols.
     */
//这里面有每种协议传输层的接收函数，
    if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add ICMP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add UDP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol\n", __func__);
#ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
    if (inet_add_protocol(&igmp_protocol, IPPROTO_IGMP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add IGMP protocol\n", __func__);
#endif

    /* Register the socket-side information for inet_create. */
    for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
        INIT_LIST_HEAD(r);

    for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
        inet_register_protosw(q);//把inetsw_array结构中的节点添加到inetsw表中，以type为索引 为套接字层所用

    /*
     *    Set the ARP module up
     */

    arp_init();

    /*
     *    Set the IP module up
     */

    ip_init();

    tcp_v4_init()//创建一个tcp套接字用来发送rst ack 字段

    /* Setup TCP slab cache for open requests. */
    tcp_init();

    /* Setup UDP memory threshold */
    udp_init();

    /* Add UDP-Lite (RFC 3828) */
    udplite4_register();

    ping_init();

    /*
     *    Set the ICMP layer up
     */
/*由于协议栈本身有发送ICMP数据报的需求，所以，需要在协议栈中创建内核态的原始套接字，用于发送ICMP数据报，这个事情在协议栈初始化时，
        由 icmp_init函数完成。它为每个CPU都创建一个icmp_socket，创建工作由sock_create_kern函数完成，创建流程跟应用层 创建socket完全一致。*/
    if (icmp_init() < 0)
        panic("Failed to create the ICMP control socket.\n");

    /*
     *    Initialise the multicast router
     */
#if defined(CONFIG_IP_MROUTE)
    if (ip_mr_init())
        pr_crit("%s: Cannot init ipv4 mroute\n", __func__);
#endif

    if (init_inet_pernet_ops())
        pr_crit("%s: Cannot init ipv4 inet pernet ops\n", __func__);
    /*
     *    Initialise per-cpu ipv4 mibs
     */

    if (init_ipv4_mibs())
        pr_crit("%s: Cannot init ipv4 mibs\n", __func__);

    ipv4_proc_init();

    ipfrag_init();

    dev_add_pack(&ip_packet_type);

    ip_tunnel_core_init();

    rc = 0;
out:
    return rc;
out_unregister_raw_proto:
    proto_unregister(&raw_prot);
out_unregister_udp_proto:
    proto_unregister(&udp_prot);
out_unregister_tcp_proto:
    proto_unregister(&tcp_prot);
    goto out;
}

fs_initcall(inet_init);