玩转Linux内核套接字(socket)原理与机制

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1、套接字基本知识

套接字（socket）就是对网络当中不同主机上面的应用程序进程之间进行双向通信的端点的抽象。套接字类型：流式套接字、数据报套接字、原始套接字。套接字作用：主要完成两个应用程序之间的数据传输。套接字本质：两个网络各自通信连接中的端点。

2、套接字表示方式

套接字socket=(ip地址：端口号)，套接字表示方法采用点分十进制的ip地址后面写上端口号，中间用冒号或逗号隔开。每个传输层连接唯一地被通信两的两个端点（两个套接字）所确定。比如IP地址是192.168.2.34，端口号是89，那么对应套接字就是(192.168.2.34:89)。

3、socket在网络当中地位及作用

socket在所有的网络操作系统中是必不可少，而且在所有的网络应用唾弃中也是必不可少。它是网络通信中应用程序对应的进程和网络协议之间的接口。具体套接字在网络系统中地位如下：

套接字在网络系统中作用：

a.socket在协议之上，屏蔽不同网络协议之间的差异；

b.socket是网络编程入口，提供大量系统调用，构成网络程序的主体；

c.在Linux系统中，socket属于文件系统的一部分。

4、套接字接口的种类

Linux支持多种套接字种类，不同的套接字种类称为“地址族”。Linux所支持的部分BSD套接字类型常见如下：

套接字地址族 说明

UNIX UNIX域套接字

INET 通过TCP/IP协议支持的Internet地址族

AX25 Amater radio X25

APPLETALK Appletalk DDP

IPX Novell IPX

X25 X25

Linux所支持的BSD套接字类型

流（stream）：提供可靠的双向顺序数据流，可以保证数据不会在传输过程中丢失、破坏或重复出现。流套接字通过INET地址族的TCP协议实现。

数据报（datagram）：提供双向的数据传输，但是并不对数据的传输过程中提供担保，意思是说，数据可能会以错误的顺序传递，甚至丢失或破坏。这种类型的套接字通过INET地址族的UDP协议实现。

原始（raw）：利用这种类型的套接字，进程可以直接访问底层协议（称为原始）。

可靠发送的消息：和数据报套接字类似，但保证数据被正确传输到目的端。

顺序数据包：和流套接字类似，但数据包大小是固定的。

数据包（packet）：并不是标准的BSD套接字类型，它是Linux专有的BSD套接字扩展，可允许进程直接在设备访问数据包。

一、套接字的工作原理

INET套接字就是支持Internet地址族的套接字，它位于TCP之上，BSD套接字之下，这也是能够体现Linux网络模块分层的设计架构思想。INET套接字视图如下：

INET和BSD套接字之间的接口通过Internet地址族套接字操作集进行实现，操作集实际是一组协议操作例程，具体对应内核源码如下：

// Internet地址族套接字操作集（一组协议操作例程）

struct proto_ops {

int family;

struct module *owner;

int (*release) (struct socket *sock);

int (*bind) (struct socket *sock,

struct sockaddr *myaddr,

int sockaddr_len);

int (*connect) (struct socket *sock,

struct sockaddr *vaddr,

int sockaddr_len, int flags);

int (*socketpair)(struct socket *sock1,

struct socket *sock2);

int (*accept) (struct socket *sock,

struct socket *newsock, int flags, bool kern);

int (*getname) (struct socket *sock,

struct sockaddr *addr,

int peer);

__poll_t (*poll) (struct file *file, struct socket *sock,

struct poll_table_struct *wait);

int (*ioctl) (struct socket *sock, unsigned int cmd,

unsigned long arg);

#ifdef CONFIG_COMPAT

int (*compat_ioctl) (struct socket *sock, unsigned int cmd,

unsigned long arg);

#endif

int (*gettstamp) (struct socket *sock, void __user *userstamp,

bool timeval, bool time32);

int (*listen) (struct socket *sock, int len);

int (*shutdown) (struct socket *sock, int flags);

int (*setsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, unsigned int optlen);

int (*getsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, int __user *optlen);

#ifdef CONFIG_COMPAT

int (*compat_setsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, unsigned int optlen);

int (*compat_getsockopt)(struct socket *sock, int level,

int optname, char __user *optval, int __user *optlen);

#endif

void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct socket *sock);

int (*sendmsg) (struct socket *sock, struct msghdr *m,

size_t total_len);

/* Notes for implementing recvmsg:

* ===============================

* msg->msg_namelen should get updated by the recvmsg handlers

* iff msg_name != NULL. It is by default 0 to prevent

* returning uninitialized memory to user space. The recvfrom

* handlers can assume that msg.msg_name is either NULL or has

* a minimum size of sizeof(struct sockaddr_storage).

*/

int (*recvmsg) (struct socket *sock, struct msghdr *m,

size_t total_len, int flags);

int (*mmap) (struct file *file, struct socket *sock,

struct vm_area_struct * vma);

ssize_t (*sendpage) (struct socket *sock, struct page *page,

int offset, size_t size, int flags);

ssize_t (*splice_read)(struct socket *sock, loff_t *ppos,

struct pipe_inode_info *pipe, size_t len, unsigned int flags);

int (*set_peek_off)(struct sock *sk, int val);

int (*peek_len)(struct socket *sock);

/* The following functions are called internally by kernel with

* sock lock already held.

*/

int (*read_sock)(struct sock *sk, read_descriptor_t *desc,

sk_read_actor_t recv_actor);

int (*sendpage_locked)(struct sock *sk, struct page *page,

int offset, size_t size, int flags);

int (*sendmsg_locked)(struct sock *sk, struct msghdr *msg,

size_t size);

int (*set_rcvlowat)(struct sock *sk, int val);

};

BSD套接字层通过调用proto_ops结构中相应函数执行对应任务。BSD套接字层向INET套接字层传递socket数据结构直接来代表一个BSD套接字，socket结构数据类型对应内核具体源码如下：

进程在利用套接字进程通信时，采用C/S模型。服务器首先创建一个套接字，并将某个名称绑定到此套接字上面，套接字的名称依赖于套接字的底层地址族。但通常是服务器的本地地址。套接字的名称地址通过sockaddr数据结构指定，具体内核源码如下：

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