Linux TCP/IP协议栈剖析【体系结构篇】

最近在看linux内核代码，学习之余记点笔记。但是，目前整个linux源码文件大小是360M，相当于100个哈利波特全集-_-，看完的都是神仙了。所以我只准备粗略地看下它的TCP/IP协议栈，然后记点心得。
嗯，我研究的内核版本是目前最新的，linux-2.6.33.1，其实应该都大同小异。学习源码时，首先应该把它的整体脉络理清楚，然后再局部细看，这是最简捷的。本文也是简洁的归纳一下。
在linux下，socket都挂接到虚拟文件系统（VFS）上，所以可以把它当做文件来操作，如write()与read()都可以对它使用。
当我们调用fd = socket()操作时，传递过程从上到下如下所示：
VFS层：file 运输层：socket 网络层：sock 嗯，相信大家都知道了吧，VFS层上面就是应用层了，每本计算机网络相关书籍总是会先讲这几个层级结构。其中file, socket, sock是对应层次的一个内核结构，file涉及到虚拟文件系统，所以不予剖析了。 我们先看看socket结构的定义：

struct socket {
socket_state		state;

kmemcheck_bitfield_begin(type);
short			type;
kmemcheck_bitfield_end(type);

unsigned long		flags;
/*
* Please keep fasync_list & wait fields in the same cache line
*/
struct fasync_struct	*fasync_list;
wait_queue_head_t	wait;

struct file		*file;
struct sock		*sk;
const struct proto_ops	*ops;
};

我们只关心最后3个结构成员，file就是对应上面的VFS层，sk则是下面的网络层，而ops则指向一个函数指针集合，对应于该运输层的操作，实际上它可指向3个集合：inet_stream_ops，  inet_dgram_ops，  inet_sockraw_ops。还记得我们创建socket时需要设定的type参数吗，SOCK_STREAM，SOCK_DGRAM，SOCK_RAW，相应的参数使套接字在初始化时让ops指向对应的函数指针集合。

下面就是这个函数指针集合的定义：

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		(*accept)    (struct socket *sock,
struct socket *newsock, int flags);
unsigned int	(*poll)	     (struct file *file, struct socket *sock,
struct poll_table_struct *wait);
int		(*ioctl)     (struct socket *sock, unsigned int cmd,
unsigned long arg);
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);
int		(*sendmsg)   (struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
struct msghdr *m, size_t total_len);
int		(*recvmsg)   (struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
struct msghdr *m, size_t total_len,
int flags);
。。。。。。。

};

是不是都似曾相识呢，对，上面的都是套接字的常用操作。

最后，我们再看看网络层，sock结构，只列举了我觉得有用的成员，这个结构很长。

struct sock {

struct sock_common	__sk_common;

	struct sk_buff_head	sk_receive_queue;
	struct sk_buff_head	sk_write_queue;

struct socket		*sk_socket;
void			*sk_user_data;
struct sk_buff		*sk_send_head;

void			(*sk_state_change)(struct sock *sk);
	void			(*sk_data_ready)(struct sock *sk, int bytes);
void			(*sk_write_space)(struct sock *sk);
void			(*sk_error_report)(struct sock *sk);
int			(*sk_backlog_rcv)(struct sock *sk,
struct sk_buff *skb);
void                    (*sk_destruct)(struct sock *sk);
};

加下划线的两个函数指针，用于与更底层交互，当网卡有数据可读可写时用于回调。继续钻下去的话还会很深。最重要的是，它的头部是一个sock_common 结构。嗯，这相当于一个面向对象的设计，sock_common就类似是一个基类，通过强制转换可以转化。还要关注下sk_buff_head结构，他是socket内部使用的缓冲区，链表形式，以后我再写下它。

sock_common结构定义如下：同样只是简单列举一些重要的。

struct sock_common {
union {
struct hlist_node	skc_node;
struct hlist_nulls_node skc_nulls_node;
};
atomic_t		skc_refcnt;
int			skc_tx_queue_mapping;

unsigned short		skc_family;
volatile unsigned char	skc_state;
unsigned char		skc_reuse;
int			skc_bound_dev_if;

struct proto		*skc_prot;

};

注意skc_prot也指向一个函数指针集合，对应于网络层的各种操作。但是据我观察，按理说tcp_recv应该在socket层调用，而实际上该tcp_recv却定义在sock层，socket层只是简单跳转一下，由skc_prot调用，我想可能是为了方便tcp协议的实现吧。

 

好了，大概结构就是这样的吧。。可以看到，就算是C语言，也运用了很多面向对象的思想。还有很抱歉，我本来准备画图说明的，结果还是惰性使然，就没画了。本来体系结构就是个很模糊的东西，关于数据包的接收与传送，以及他们在这体系结构间的传递，下篇再讲解。