Linux内核--网络栈实现分析（六）--应用层获取数据包（上）

本文分析基于内核Linux 1.2.13

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作者：闫明

注：标题中的”（上）“，”（下）“表示分析过程基于数据包的传递方向：”（上）“表示分析是从底层向上分析、”（下）“表示分析是从上向下分析。


上篇博文分析了传输层从网络层获取数据包后将数据包缓存结构sk_buff挂载到特定的sock结构的接收队列中。

这里接着分析应用程序是如何从传输层获取网络数据包的。应用层要得到传输层的数据包有两种主要的方式：系统调用和文件操作。


系统调用：

Linux下用户程序是通过系统调用来从用户态到内核态，调用内核功能来完成相应的服务。

网络栈的一些功能是通过系统调用sys_socketcall来完成的

具体的代码在net/socket.c中，该文件中的函数就相当于一个桥梁，在系统调用和内核网络栈之间。

[cpp] view plaincopy
  1. /* 
  2.  *  System call vectors. Since I (RIB) want to rewrite sockets as streams, 
  3.  *  we have this level of indirection. Not a lot of overhead, since more of 
  4.  *  the work is done via read/write/select directly. 
  5.  * 
  6.  *  I'm now expanding this up to a higher level to separate the assorted 
  7.  *  kernel/user space manipulations and global assumptions from the protocol 
  8.  *  layers proper - AC. 
  9.  */  
  10.   
  11. asmlinkage int sys_socketcall(int call, unsigned long *args)  
  12. {  
  13.     int er;  
  14.     switch(call)   
  15.     {  
  16.         case SYS_SOCKET:  
  17.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));  
  18.             if(er)  
  19.                 return er;  
  20.             return(sock_socket(get_fs_long(args+0),  
  21.                 get_fs_long(args+1),  
  22.                 get_fs_long(args+2)));  
  23.         case SYS_BIND:  
  24.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));  
  25.             if(er)  
  26.                 return er;  
  27.             return(sock_bind(get_fs_long(args+0),  
  28.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),  
  29.                 get_fs_long(args+2)));  
  30.         case SYS_CONNECT:  
  31.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));  
  32.             if(er)  
  33.                 return er;  
  34.             return(sock_connect(get_fs_long(args+0),  
  35.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),  
  36.                 get_fs_long(args+2)));  
  37.         case SYS_LISTEN:  
  38.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 2 * sizeof(long));  
  39.             if(er)  
  40.                 return er;  
  41.             return(sock_listen(get_fs_long(args+0),  
  42.                 get_fs_long(args+1)));  
  43.         case SYS_ACCEPT:  
  44.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));  
  45.             if(er)  
  46.                 return er;  
  47.             return(sock_accept(get_fs_long(args+0),  
  48.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),  
  49.                 (int *)get_fs_long(args+2)));  
  50.         case SYS_GETSOCKNAME:  
  51.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));  
  52.             if(er)  
  53.                 return er;  
  54.             return(sock_getsockname(get_fs_long(args+0),  
  55.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),  
  56.                 (int *)get_fs_long(args+2)));  
  57.         case SYS_GETPEERNAME:  
  58.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));  
  59.             if(er)  
  60.                 return er;  
  61.             return(sock_getpeername(get_fs_long(args+0),  
  62.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),  
  63.                 (int *)get_fs_long(args+2)));  
  64.         case SYS_SOCKETPAIR:  
  65.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 4 * sizeof(long));  
  66.             if(er)  
  67.                 return er;  
  68.             return(sock_socketpair(get_fs_long(args+0),  
  69.                 get_fs_long(args+1),  
  70.                 get_fs_long(args+2),  
  71.                 (unsigned long *)get_fs_long(args+3)));  
  72.         case SYS_SEND:  
  73.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 4 * sizeof(unsigned long));  
  74.             if(er)  
  75.                 return er;  
  76.             return(sock_send(get_fs_long(args+0),  
  77.                 (void *)get_fs_long(args+1),  
  78.                 get_fs_long(args+2),  
  79.                 get_fs_long(args+3)));  
  80.         case SYS_SENDTO:  
  81.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 6 * sizeof(unsigned long));  
  82.             if(er)  
  83.                 return er;  
  84.             return(sock_sendto(get_fs_long(args+0),  
  85.                 (void *)get_fs_long(args+1),  
  86.                 get_fs_long(args+2),  
  87.                 get_fs_long(args+3),  
  88.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+4),  
  89.                 get_fs_long(args+5)));  
  90.         case SYS_RECV:  
  91.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 4 * sizeof(unsigned long));  
  92.             if(er)  
  93.                 return er;  
  94.             return(sock_recv(get_fs_long(args+0),  
  95.                 (void *)get_fs_long(args+1),  
  96.                 get_fs_long(args+2),  
  97.                 get_fs_long(args+3)));  
  98.         case SYS_RECVFROM:  
  99.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 6 * sizeof(unsigned long));  
  100.             if(er)  
  101.                 return er;  
  102.             return(sock_recvfrom(get_fs_long(args+0),  
  103.                 (void *)get_fs_long(args+1),  
  104.                 get_fs_long(args+2),  
  105.                 get_fs_long(args+3),  
  106.                 (struct sockaddr *)get_fs_long(args+4),  
  107.                 (int *)get_fs_long(args+5)));  
  108.         case SYS_SHUTDOWN:  
  109.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 2* sizeof(unsigned long));  
  110.             if(er)  
  111.                 return er;  
  112.             return(sock_shutdown(get_fs_long(args+0),  
  113.                 get_fs_long(args+1)));  
  114.         case SYS_SETSOCKOPT:  
  115.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 5*sizeof(unsigned long));  
  116.             if(er)  
  117.                 return er;  
  118.             return(sock_setsockopt(get_fs_long(args+0),  
  119.                 get_fs_long(args+1),  
  120.                 get_fs_long(args+2),  
  121.                 (char *)get_fs_long(args+3),  
  122.                 get_fs_long(args+4)));  
  123.         case SYS_GETSOCKOPT:  
  124.             er=verify_area(VERIFY_READ, args, 5*sizeof(unsigned long));  
  125.             if(er)  
  126.                 return er;  
  127.             return(sock_getsockopt(get_fs_long(args+0),  
  128.                 get_fs_long(args+1),  
  129.                 get_fs_long(args+2),  
  130.                 (char *)get_fs_long(args+3),  
  131.                 (int *)get_fs_long(args+4)));  
  132.         default:  
  133.             return(-EINVAL);  
  134.     }  
  135. }  

上面系统调用的宏定义如下：

[cpp] view plaincopy
  1. #define SYS_SOCKET  1       /* sys_socket(2)        */  
  2. #define SYS_BIND    2       /* sys_bind(2)          */  
  3. #define SYS_CONNECT 3       /* sys_connect(2)       */  
  4. #define SYS_LISTEN  4       /* sys_listen(2)        */  
  5. #define SYS_ACCEPT  5       /* sys_accept(2)        */  
  6. #define SYS_GETSOCKNAME 6       /* sys_getsockname(2)       */  
  7. #define SYS_GETPEERNAME 7       /* sys_getpeername(2)       */  
  8. #define SYS_SOCKETPAIR  8       /* sys_socketpair(2)        */  
  9. #define SYS_SEND    9       /* sys_send(2)          */  
  10. #define SYS_RECV    10      /* sys_recv(2)          */  
  11. #define SYS_SENDTO  11      /* sys_sendto(2)        */  
  12. #define SYS_RECVFROM    12      /* sys_recvfrom(2)      */  
  13. #define SYS_SHUTDOWN    13      /* sys_shutdown(2)      */  
  14. #define SYS_SETSOCKOPT  14      /* sys_setsockopt(2)        */  
  15. #define SYS_GETSOCKOPT  15      /* sys_getsockopt(2)        */  

应用层在一系列操作后就可以通过参数SYS_RECV或SYS_RECVFROM来获取数据包。由于UDP是无连接的，所以如果需要回复，必须使用recvfrom才能得知是谁发送的数据包。当然UDP也可以用recv类函数，只是它不能回复，只能接收。

这里还是以INET中UDP来举例说明。

如果系统调用参数是SYS_RECVFROM，则会进行内存校验后执行函数socket_recvform()函数。

[cpp] view plaincopy
  1. /* 
  2.  *  Receive a frame from the socket and optionally record the address of the  
  3.  *  sender. We verify the buffers are writable and if needed move the 
  4.  *  sender address from kernel to user space. 
  5.  */  
  6.   
  7. static int sock_recvfrom(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,  
  8.          struct sockaddr *addr, int *addr_len)  
  9. {  
  10.     struct socket *sock;  
  11.     struct file *file;  
  12.     char address[MAX_SOCK_ADDR];  
  13.     int err;  
  14.     int alen;  
  15.     if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))  
  16.         return(-EBADF);  
  17.     if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL)))   
  18.         return(-ENOTSOCK);  
  19.     if(len<0)  
  20.         return -EINVAL;  
  21.     if(len==0)  
  22.         return 0;  
  23.   
  24.     err=verify_area(VERIFY_WRITE,buff,len);  
  25.     if(err)  
  26.         return err;  
  27.     //进行相应检查后调用下层函数，INET域则为inet_recvfrom()函数  
  28.     len=sock->ops->recvfrom(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),  
  29.              flags, (struct sockaddr *)address, &alen);  
  30.   
  31.     if(len<0)  
  32.         return len;  
  33.     if(addr!=NULL && (err=move_addr_to_user(address,alen, addr, addr_len))<0)//将发送发地址从内核空间COPY到用户空间  
  34.         return err;  
  35.   
  36.     return len;  
  37. }  

在inet_recvfrom()函数中会调用具体的协议操作函数。UDP的协议操作函数定义如下：

[cpp] view plaincopy
  1. struct proto udp_prot = {  
  2.     sock_wmalloc,  
  3.     sock_rmalloc,  
  4.     sock_wfree,  
  5.     sock_rfree,  
  6.     sock_rspace,  
  7.     sock_wspace,  
  8.     udp_close,  
  9.     udp_read,  
  10.     udp_write,  
  11.     udp_sendto,  
  12.     udp_recvfrom,  
  13.     ip_build_header,  
  14.     udp_connect,  
  15.     NULL,  
  16.     ip_queue_xmit,  
  17.     NULL,  
  18.     NULL,  
  19.     NULL,  
  20.     udp_rcv,  
  21.     datagram_select,  
  22.     udp_ioctl,  
  23.     NULL,  
  24.     NULL,  
  25.     ip_setsockopt,  
  26.     ip_getsockopt,  
  27.     128,  
  28.     0,  
  29.     {NULL,},  
  30.     "UDP",  
  31.     0, 0  
  32. };  

可以看到，其对应的函数对udp_recvfrom()

[cpp] view plaincopy
  1. /* 
  2.  *  This should be easy, if there is something there we\ 
  3.  *  return it, otherwise we block. 
  4.  */  
  5.   
  6. int udp_recvfrom(struct sock *sk, unsigned char *to, int len,  
  7.          int noblock, unsigned flags, struct sockaddr_in *sin,  
  8.          int *addr_len)  
  9. {  
  10.     int copied = 0;  
  11.     int truesize;  
  12.     struct sk_buff *skb;  
  13.     int er;  
  14.   
  15.     /* 
  16.      *  Check any passed addresses 
  17.      */  
  18.        
  19.     if (addr_len)   
  20.         *addr_len=sizeof(*sin);  
  21.     
  22.     /* 
  23.      *  From here the generic datagram does a lot of the work. Come 
  24.      *  the finished NET3, it will do _ALL_ the work! 
  25.      */  
  26.           
  27.     skb=skb_recv_datagram(sk,flags,noblock,&er);  
  28.     if(skb==NULL)  
  29.         return er;  
  30.     
  31.     truesize = skb->len;  
  32.     copied = min(len, truesize);  
  33.   
  34.     /* 
  35.      *  FIXME : should use udp header size info value  
  36.      */  
  37.        
  38.     skb_copy_datagram(skb,sizeof(struct udphdr),to,copied);//从sk_buff结构中取出数据部分  
  39.     sk->stamp=skb->stamp;  
  40.   
  41.     /* Copy the address. */  
  42.     if (sin)   
  43.     {  
  44.         sin->sin_family = AF_INET;  
  45.         sin->sin_port = skb->h.uh->source;  
  46.         sin->sin_addr.s_addr = skb->daddr;  
  47.     }  
  48.     
  49.     skb_free_datagram(skb);  
  50.     release_sock(sk);  
  51.     return(truesize);  
  52. }  

这样数据就到达了用户空间。



普通文件操作函数接口

最主要的函数就是读写函数：sock_read和sock_write，可以通过文件操作来完成网络数据的读写。谈到文件，就得有文件描述符，文件描述符中的f_inode指针指向文件的存储结点结构。

文件操作集定义如下：

[cpp] view plaincopy
  1. static struct file_operations socket_file_ops = {  
  2.     sock_lseek,  
  3.     sock_read,  
  4.     sock_write,  
  5.     sock_readdir,  
  6.     sock_select,  
  7.     sock_ioctl,  
  8.     NULL,           /* mmap */  
  9.     NULL,           /* no special open code... */  
  10.     sock_close,  
  11.     NULL,           /* no fsync */  
  12.     sock_fasync  
  13. };  

read函数和write函数与recvfrom和send类似，这里列出函数，方便查看。

[cpp] view plaincopy
  1. /* 
  2.  *  Read data from a socket. ubuf is a user mode pointer. We make sure the user 
  3.  *  area ubuf...ubuf+size-1 is writable before asking the protocol. 
  4.  */  
  5.   
  6. static int sock_read(struct inode *inode, struct file *file, char *ubuf, int size)  
  7. {  
  8.     struct socket *sock;  
  9.     int err;  
  10.     
  11.     if (!(sock = socki_lookup(inode)))   
  12.     {  
  13.         printk("NET: sock_read: can't find socket for inode!\n");  
  14.         return(-EBADF);  
  15.     }  
  16.     if (sock->flags & SO_ACCEPTCON)   
  17.         return(-EINVAL);  
  18.   
  19.     if(size<0)  
  20.         return -EINVAL;  
  21.     if(size==0)  
  22.         return 0;  
  23.     if ((err=verify_area(VERIFY_WRITE,ubuf,size))<0)  
  24.         return err;  
  25.     return(sock->ops->read(sock, ubuf, size, (file->f_flags & O_NONBLOCK)));//和recvfrom函数类似，调用INET域相应函数  
  26. }  
上面会调用inet_read()函数，inet_read()函数会调用udp_read()函数，而udp_read()是通过调用udp_recvfrom()完成功能的。
这两种方式是内核网络栈对用户的接口。

posted on 2013-04-13 13:27  疯子123  阅读(134)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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