struct socket 结构详解

Socket数据结构网络协议CC++

    用户使用socket系统调用编写应用程序时，通过一个数字来表示一个socket，所有的操作都在该数字上进行，这个数字称为套接字描述符。在系统调用 的实现函数里，这个数字就会被映射成一个表示socket的结构体，该结构体保存了该socket的所有属性和数据。在内核的协议中实现中，关于表示 socket的结构体，是一个比较复杂的东西，下面一一介绍。 
    struct socket。 
    这是一个基本的BSD socket，我们调用socket系统调用创建的各种不同类型的socket，开始创建的都是它，到后面，各种不同类型的socket在它的基础上进行 各种扩展。struct socket是在虚拟文件系统上被创建出来的，可以把它看成一个文件，是可以被安全地扩展的。下面是其完整定义：

1. struct socket {
2. socket_state            state;
3. unsigned long           flags;
4. const struct proto_ops *ops;
5. struct fasync_struct    *fasync_list;
6. struct file             *file;
7. struct sock             *sk;
8. wait_queue_head_t       wait;
9. short                   type;
10. };

state用于表示socket所处的状态，是一个枚举变量，其类型定义如下：

1. typedef enum {
2. SS_FREE = 0,            //该socket还未分配
3. SS_UNCONNECTED,         //未连向任何socket
4. SS_CONNECTING,          //正在连接过程中
5. SS_CONNECTED,           //已连向一个socket
6. SS_DISCONNECTING        //正在断开连接的过程中
7. }socket_state;

该成员只对TCP socket有用，因为只有tcp是面向连接的协议，udp跟raw不需要维护socket状态。 
    flags是一组标志位，在内核中并没有发现被使用。 
    ops是协议相关的一组操作集，结构体struct proto_ops的定义如下：

1. struct proto_ops {
2. int     family;
3. struct module   *owner;
4. int (*release)(struct socket *sock);
5. int (*bind)(struct socket *sock, struct sockaddr *myaddr, int sockaddr_len);
6. int (*connect)(struct socket *sock, struct sockaddr *vaddr, int sockaddr_len, int flags);
7. int (*socketpair)(struct socket *sock1, struct socket *sock2);
8. int (*accept)(struct socket *sock,struct socket *newsock, int flags);
9. int (*getname)(struct socket *sock, struct sockaddr *addr,int *sockaddr_len, int peer);
10. unsigned int (*poll)(struct file *file, struct socket *sock,
11. struct poll_table_struct *wait);
12. int (*ioctl)(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg);
13. int (*listen)(struct socket *sock, int len);
14. int (*shutdown)(struct socket *sock, int flags);
15. int (*setsockopt)(struct socket *sock, int level,
16. int optname, char __user *optval, int optlen);
17. int (*getsockopt)(struct socket *sock, int level,
18. int optname, char __user *optval, int __user *optlen);
19. int (*sendmsg)(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
20. struct msghdr *m, size_t total_len);
21. int (*recvmsg)(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
22. struct msghdr *m, size_t total_len, int flags);
23. int (*mmap)(struct file *file, struct socket *sock,struct vm_area_struct * vma);
24. ssize_t (*sendpage)(struct socket *sock, struct page *page,
25. int offset, size_t size, int flags);
26. };

协议栈中总共定义了三个strcut proto_ops类型的变量，分别是myinet_stream_ops, myinet_dgram_ops, myinet_sockraw_ops，对应流协议, 数据报和原始套接口协议的操作函数集。 
    type是socket的类型，对应的取值如下：

1. enum sock_type {
2. SOCK_DGRAM = 1,
3. SOCK_STREAM = 2,
4. SOCK_RAW    = 3,
5. SOCK_RDM    = 4,
6. SOCK_SEQPACKET = 5,
7. SOCK_DCCP   = 6,
8. SOCK_PACKET = 10,
9. };

sk是网络层对于socket的表示，结构体struct sock比较庞大，这里不详细列出，只介绍一些重要的成员， 
    sk_prot和sk_prot_creator，这两个成员指向特定的协议处理函数集，其类型是结构体struct proto，该结构体也是跟struct proto_ops相似的一组协议操作函数集。这两者之间的概念似乎有些混淆，可以这么理解，struct proto_ops的成员操作struct socket层次上的数据，处理完了，再由它们调用成员sk->sk_prot的函数，操作struct sock层次上的数据。即它们之间存在着层次上的差异。struct proto类型的变量在协议栈中总共也有三个，分别是mytcp_prot，myudp_prot，myraw_prot，对应TCP, UDP和RAW协议。 
    sk_state表示socket当前的连接状态，是一个比struct socket的state更为精细的状态，其可能的取值如下：

1. enum {
2. TCP_ESTABLISHED = 1,
3. TCP_SYN_SENT,
4. TCP_SYN_RECV,
5. TCP_FIN_WAIT1,
6. TCP_FIN_WAIT2,
7. TCP_TIME_WAIT,
8. TCP_CLOSE,
9. TCP_CLOSE_WAIT,
10. TCP_LAST_ACK,
11. TCP_LISTEN,
12. TCP_CLOSING，
13. TCP_MAX_STATES
14. ;

这些取值从名字上看，似乎只使用于TCP协议，但事实上，UDP和RAW也借用了其中一些值，在一个socket创建之初，其取值都是 TCP_CLOSE，一个UDP socket connect完成后，将这个值改为TCP_ESTABLISHED，最后，关闭sockt前置回TCP_CLOSE，RAW也一样。 
    sk_rcvbuf和sk_sndbuf分别表示接收和发送缓冲区的大小。sk_receive_queue和sk_write_queue分别为接收缓 冲队列和发送缓冲队列，队列里排列的是套接字缓冲区struct sk_buff，队列中的struct sk_buff的字节数总和不能超过缓冲区大小的设定。

接着上一篇，继续介绍struct sock。 
    sk_rmem_alloc, sk_wmem_alloc和sk_omem_alloc分别表示接收缓冲队列，发送缓冲队列及其它缓冲队列中已经分配的字节数，用于跟踪缓冲区的使用情况。 
    struct sock有一个struct sock_common成员，因为struct inet_timewait_sock也要用到它，所以把它单独归到一个结构体中，其定义如下：

1. struct sock_common {
2. unsigned short      skc_family;
3. volatile unsigned char skc_state;
4. unsigned char       skc_reuse;
5. int         skc_bound_dev_if;
6. struct hlist_node   skc_node;
7. struct hlist_node   skc_bind_node;
8. atomic_t        skc_refcnt;
9. unsigned int        skc_hash;
10. struct proto        *skc_prot;
11. };

struct inet_sock。 
    这是INET域专用的一个socket表示，它是在struct sock的基础上进行的扩展，在基本socket的属性已具备的基础上，struct inet_sock提供了INET域专有的一些属性，比如TTL，组播列表，IP地址，端口等，下面是其完整定义：

1. struct inet_sock {
2. struct sock     sk;
3. #if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)
4. struct ipv6_pinfo   *pinet6;
5. #endif
6. __u32           daddr;          //IPv4的目的地址。
7. __u32           rcv_saddr;      //IPv4的本地接收地址。
8. __u16           dport;          //目的端口。
9. __u16           num;            //本地端口（主机字节序）。
10. __u32           saddr;          //发送地址。
11. __s16           uc_ttl;         //单播的ttl。
12. __u16           cmsg_flags;
13. struct ip_options   *opt;
14. __u16           sport;          //源端口。
15. __u16           id;             //单调递增的一个值，用于赋给iphdr的id域。
16. __u8            tos;            //服务类型。
17. __u8            mc_ttl;         //组播的ttl
18. __u8            pmtudisc;
19. __u8            recverr:1,
20. is_icsk:1,
21. freebind:1,
22. hdrincl:1,      //是否自己构建ip首部(用于raw协议)
23. mc_loop:1;      //组播是否发向回路。
24. int             mc_index;       //组播使用的本地设备接口的索引。
25. __u32           mc_addr;        //组播源地址。
26. struct ip_mc_socklist   *mc_list;   //组播组列表。
27. struct {
28. unsigned int        flags;
29. unsigned int        fragsize;
30. struct ip_options   *opt;
31. struct rtable       *rt;
32. int                 length;
33. u32                 addr;
34. struct flowi        fl;
35. } cork;
36. };

struct raw_sock 
    这是RAW协议专用的一个socket的表示，它是在struct inet_sock基础上的扩展，因为RAW协议要处理ICMP协议的过滤设置，其定义如下：

1. struct raw_sock {
2. struct inet_sock   inet;
3. struct icmp_filter filter;
4. };

struct udp_sock 
    这是UDP协议专用的一个socket表示，它是在struct inet_sock基础上的扩展，其定义如下：

1. struct udp_sock {
2. struct inet_sock inet;
3. int             pending;
4. unsigned int    corkflag;
5. __u16           encap_type;
6. __u16           len;
7. };

struct inet_connection_sock 
    看完上面两个，我们觉得第三个应该就是struct tcp_sock了，但事实上，struct tcp_sock并不直接从struct inet_sock上扩展，而是从struct inet_connection_sock基础上进行扩展，struct inet_connection_sock是所有面向连接的socket的表示，关于该socket，及下面所有tcp相关的socket，我们在分析 tcp实现时再详细介绍，这里只列出它们的关系。

strcut tcp_sock 
    这是TCP协议专用的一个socket表示，它是在struct inet_connection_sock基础进行扩展，主要是增加了滑动窗口协议，避免拥塞算法等一些TCP专有属性。

struct inet_timewait_sock

struct tcp_timewait_sock 
    在struct inet_timewait_sock的基础上进行扩展。

struct inet_request_sock

struct tcp_request_sock 
    在struct inet_request_sock的基础上进行扩展。