上一节我们讲了 Socket 在 TCP 和 UDP 场景下的调用流程。这一节，我们就沿着这个流程到内核里面一探究竟，看看在内核里面，都创建了哪些数据结构，做了哪些事情。
解析 socket 函数
我们从 Socket 系统调用开始。
SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
int retval;
struct socket *sock;
int flags;
......
if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;
retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
......
retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
......
return retval;
}
这里面的代码比较容易看懂，Socket 系统调用会调用 sock_create 创建一个 struct socket 结构，然后通过 sock_map_fd 和文件描述符对应起来。
在创建 Socket 的时候，有三个参数。
一个是 family，表示地址族。不是所有的 Socket 都要通过 IP 进行通信，还有其他的通信方式。例如，下面的定义中，domain sockets 就是通过本地文件进行通信的，不需要 IP 地址。只不过，通过 IP 地址只是最常用的模式，所以我们这里着重分析这种模式。
#define AF_UNIX 1/* Unix domain sockets */
#define AF_INET 2/* Internet IP Protocol */
第二个参数是 type，也即 Socket 的类型。类型是比较少的。
第三个参数是 protocol，是协议。协议数目是比较多的，也就是说，多个协议会属于同一种类型。
常用的 Socket 类型有三种，分别是 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM 和 SOCK_RAW。
enum sock_type {
SOCK_STREAM = 1,
SOCK_DGRAM = 2,
SOCK_RAW = 3,
......
}
SOCK_STREAM 是面向数据流的，协议 IPPROTO_TCP 属于这种类型。SOCK_DGRAM 是面向数据报的，协议 IPPROTO_UDP 属于这种类型。如果在内核里面看的话，IPPROTO_ICMP 也属于这种类型。SOCK_RAW 是原始的 IP 包，IPPROTO_IP 属于这种类型。
这一节，我们重点看 SOCK_STREAM 类型和 IPPROTO_TCP 协议。
为了管理 family、type、protocol 这三个分类层次，内核会创建对应的数据结构。
接下来，我们打开 sock_create 函数看一下。它会调用 __sock_create。
int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol,
struct socket **res, int kern)
{
int err;
struct socket *sock;
const struct net_proto_family *pf;
......
sock = sock_alloc();
......
sock->type = type;
......
pf = rcu_dereference(net_families[family]);
......
err = pf->create(net, sock, protocol, kern);
......
*res = sock;
return 0;
}
这里先是分配了一个 struct socket 结构。接下来我们要用到 family 参数。这里有一个 net_families 数组，我们可以以 family 参数为下标，找到对应的 struct net_proto_family。
/* Supported address families. */
#define AF_UNSPEC 0
#define AF_UNIX 1 /* Unix domain sockets */
#define AF_LOCAL 1 /* POSIX name for AF_UNIX */
#define AF_INET 2 /* Internet IP Protocol */
......
#define AF_INET6 10 /* IP version 6 */
......
#define AF_MPLS 28 /* MPLS */
......
#define AF_MAX 44 /* For now.. */
#define NPROTO AF_MAX
struct net_proto_family __rcu *net_families[NPROTO] __read_mostly;
我们可以找到 net_families 的定义。每一个地址族在这个数组里面都有一项，里面的内容是 net_proto_family。每一种地址族都有自己的 net_proto_family，IP 地址族的 net_proto_family 定义如下，里面最重要的就是，create 函数指向 inet_create。
//net/ipv4/af_inet.c
static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
.family = PF_INET,
.create = inet_create,//这个用于socket系统调用创建
......
}
我们回到函数 __sock_create。接下来，在这里面，这个 inet_create 会被调用。
static int inet_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol, int kern)
{
struct sock *sk;
struct inet_protosw *answer;
struct inet_sock *inet;
struct proto *answer_prot;
unsigned char answer_flags;
int try_loading_module = 0;
int err;
/* Look for the requested type/protocol pair. */
lookup_protocol:
list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list) {
err = 0;
/* Check the non-wild match. */
if (protocol == answer->protocol) {
if (protocol != IPPROTO_IP)
break;
} else {
/* Check for the two wild cases. */
if (IPPROTO_IP == protocol) {
protocol = answer->protocol;
break;
}
if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
break;
}
err = -EPROTONOSUPPORT;
}
......
sock->ops = answer->ops;
answer_prot = answer->prot;
answer_flags = answer->flags;
......
sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot, kern);
......
inet = inet_sk(sk);
inet->nodefrag = 0;
if (SOCK_RAW == sock->type) {
inet->inet_num = protocol;
if (IPPROTO_RAW == protocol)
inet->hdrincl = 1;
}
inet->inet_id = 0;
sock_init_data(sock, sk);
sk->sk_destruct = inet_sock_destruct;
sk->sk_protocol = protocol;
sk->sk_backlog_rcv = sk->sk_prot->backlog_rcv;
inet->uc_ttl = -1;
inet->mc_loop = 1;
inet->mc_ttl = 1;
inet->mc_all = 1;
inet->mc_index = 0;
inet->mc_list = NULL;
inet->rcv_tos = 0;
if (inet->inet_num) {
inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);
/* Add to protocol hash chains. */
err = sk->sk_prot->hash(sk);
}
if (sk->sk_prot->init) {
err = sk->sk_prot->init(sk);
}
......
}
在 inet_create 中，我们先会看到一个循环 list_for_each_entry_rcu。在这里，第二个参数 type 开始起作用。因为循环查看的是 inetsw[sock->type]。
这里的 inetsw 也是一个数组，type 作为下标，里面的内容是 struct inet_protosw，是协议，也即 inetsw 数组对于每个类型有一项，这一项里面是属于这个类型的协议。
static struct list_head inetsw[SOCK_MAX];
static int __init inet_init(void)
{
......
/* 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);
......
}
inetsw 数组是在系统初始化的时候初始化的，就像下面代码里面实现的一样。
首先，一个循环会将 inetsw 数组的每一项，都初始化为一个链表。咱们前面说了，一个 type 类型会包含多个 protocol，因而我们需要一个链表。接下来一个循环，是将 inetsw_array 注册到 inetsw 数组里面去。inetsw_array 的定义如下，这个数组里面的内容很重要，后面会用到它们。
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
{
.type = SOCK_STREAM,
.protocol = IPPROTO_TCP,
.prot = &tcp_prot,
.ops = &inet_stream_ops,
.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT |
INET_PROTOSW_ICSK,
},
{
.type = SOCK_DGRAM,
.protocol = IPPROTO_UDP,
.prot = &udp_prot,
.ops = &inet_dgram_ops,
.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT,
},
{
.type = SOCK_DGRAM,
.protocol = IPPROTO_ICMP,
.prot = &ping_prot,
.ops = &inet_sockraw_ops,
.flags = INET_PROTOSW_REUSE,
},
{
.type = SOCK_RAW,
.protocol = IPPROTO_IP, /* wild card */
.prot = &raw_prot,
.ops = &inet_sockraw_ops,
.flags = INET_PROTOSW_REUSE,
}
}
我们回到 inet_create 的 list_for_each_entry_rcu 循环中。到这里就好理解了，这是在 inetsw 数组中，根据 type 找到属于这个类型的列表，然后依次比较列表中的 struct inet_protosw 的 protocol 是不是用户指定的 protocol；如果是，就得到了符合用户指定的 family->type->protocol 的 struct inet_protosw *answer 对象。
接下来，struct socket *sock 的 ops 成员变量，被赋值为 answer 的 ops。对于 TCP 来讲，就是 inet_stream_ops。后面任何用户对于这个 socket 的操作，都是通过 inet_stream_ops 进行的。
接下来，我们创建一个 struct sock *sk 对象。这里比较让人困惑。socket 和 sock 看起来几乎一样，容易让人混淆，这里需要说明一下，socket 是用于负责对上给用户提供接口，并且和文件系统关联。而 sock，负责向下对接内核网络协议栈。
在 sk_alloc 函数中，struct inet_protosw *answer 结构的 tcp_prot 赋值给了 struct sock *sk 的 sk_prot 成员。tcp_prot 的定义如下，里面定义了很多的函数，都是 sock 之下内核协议栈的动作。
struct proto tcp_prot = {
.name = "TCP",
.owner = THIS_MODULE,
.close = tcp_close,
.connect = tcp_v4_connect,
.disconnect = tcp_disconnect,
.accept = inet_csk_accept,
.ioctl = tcp_ioctl,
.init = tcp_v4_init_sock,
.destroy = tcp_v4_destroy_sock,
.shutdown = tcp_shutdown,
.setsockopt = tcp_setsockopt,
.getsockopt = tcp_getsockopt,
.keepalive = tcp_set_keepalive,
.recvmsg = tcp_recvmsg,
.sendmsg = tcp_sendmsg,
.sendpage = tcp_sendpage,
.backlog_rcv = tcp_v4_do_rcv,
.release_cb = tcp_release_cb,
.hash = inet_hash,
.get_port = inet_csk_get_port,
......
}
在 inet_create 函数中，接下来创建一个 struct inet_sock 结构，这个结构一开始就是 struct sock，然后扩展了一些其他的信息，剩下的代码就填充这些信息。这一幕我们会经常看到，将一个结构放在另一个结构的开始位置，然后扩展一些成员，通过对于指针的强制类型转换，来访问这些成员。
socket 的创建至此结束。
解析 bind 函数
接下来，我们来看 bind。
SYSCALL_DEFINE3(bind, int, fd, struct sockaddr __user *, umyaddr, int, addrlen)
{
struct socket *sock;
struct sockaddr_storage address;
int err, fput_needed;
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
if (sock) {
err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, &address);
if (err >= 0) {
err = sock->ops->bind(sock,
(struct sockaddr *)
&address, addrlen);
}
fput_light(sock->file, fput_needed);
}
return err;
}
在 bind 中，sockfd_lookup_light 会根据 fd 文件描述符，找到 struct socket 结构。然后将 sockaddr 从用户态拷贝到内核态，然后调用 struct socket 结构里面 ops 的 bind 函数。根据前面创建 socket 的时候的设定，调用的是 inet_stream_ops 的 bind 函数，也即调用 inet_bind。
int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *)uaddr;
struct sock *sk = sock->sk;
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct net *net = sock_net(sk);
unsigned short snum;
......
snum = ntohs(addr->sin_port);
......
inet->inet_rcv_saddr = inet->inet_saddr = addr->sin_addr.s_addr;
/* Make sure we are allowed to bind here. */
if ((snum || !inet->bind_address_no_port) &&
sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
......
}
inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);
inet->inet_daddr = 0;
inet->inet_dport = 0;
sk_dst_reset(sk);
}
bind 里面会调用 sk_prot 的 get_port 函数，也即 inet_csk_get_port 来检查端口是否冲突，是否可以绑定。如果允许，则会设置 struct inet_sock 的本方的地址 inet_saddr 和本方的端口 inet_sport，对方的地址 inet_daddr 和对方的端口 inet_dport 都初始化为 0。
bind 的逻辑相对比较简单，就到这里了。
解析 listen 函数
接下来我们来看 listen。
SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
{
struct socket *sock;
int err, fput_needed;
int somaxconn;
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
if (sock) {
somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
backlog = somaxconn;
err = sock->ops->listen(sock, backlog);
fput_light(sock->file, fput_needed);
}
return err;
}
在 listen 中，我们还是通过 sockfd_lookup_light，根据 fd 文件描述符，找到 struct socket 结构。接着，我们调用 struct socket 结构里面 ops 的 listen 函数。根据前面创建 socket 的时候的设定，调用的是 inet_stream_ops 的 listen 函数，也即调用 inet_listen。
int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)
{
struct sock *sk = sock->sk;
unsigned char old_state;
int err;
old_state = sk->sk_state;
/* Really, if the socket is already in listen state
* we can only allow the backlog to be adjusted.
*/
if (old_state != TCP_LISTEN) {
err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
}
sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
}
如果这个 socket 还不在 TCP_LISTEN 状态，会调用 inet_csk_listen_start 进入监听状态。
int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, int backlog)
{
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
int err = -EADDRINUSE;
reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue);
sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
sk->sk_ack_backlog = 0;
inet_csk_delack_init(sk);
sk_state_store(sk, TCP_LISTEN);
if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->inet_num)) {
......
}
......
}
这里面建立了一个新的结构 inet_connection_sock，这个结构一开始是 struct inet_sock，inet_csk 其实做了一次强制类型转换，扩大了结构，看到了吧，又是这个套路。
struct inet_connection_sock 结构比较复杂。如果打开它，你能看到处于各种状态的队列，各种超时时间、拥塞控制等字眼。我们说 TCP 是面向连接的，就是客户端和服务端都是有一个结构维护连接的状态，就是指这个结构。我们这里先不详细分析里面的变量，因为太多了，后面我们遇到一个分析一个。
首先，我们遇到的是 icsk_accept_queue。它是干什么的呢？
在 TCP 的状态里面，有一个 listen 状态，当调用 listen 函数之后，就会进入这个状态，虽然我们写程序的时候，一般要等待服务端调用 accept 后，等待在哪里的时候，让客户端就发起连接。其实服务端一旦处于 listen 状态，不用 accept，客户端也能发起连接。其实 TCP 的状态中，没有一个是否被 accept 的状态，那 accept 函数的作用是什么呢？
在内核中，为每个 Socket 维护两个队列。一个是已经建立了连接的队列，这时候连接三次握手已经完毕，处于 established 状态；一个是还没有完全建立连接的队列，这个时候三次握手还没完成，处于 syn_rcvd 的状态。
服务端调用 accept 函数，其实是在第一个队列中拿出一个已经完成的连接进行处理。如果还没有完成就阻塞等待。这里的 icsk_accept_queue 就是第一个队列。
初始化完之后，将 TCP 的状态设置为 TCP_LISTEN，再次调用 get_port 判断端口是否冲突。
至此，listen 的逻辑就结束了。
解析 accept 函数
接下来，我们解析服务端调用 accept。
SYSCALL_DEFINE3(accept, int, fd, struct sockaddr __user *, upeer_sockaddr,
int __user *, upeer_addrlen)
{
return sys_accept4(fd, upeer_sockaddr, upeer_addrlen, 0);
}
SYSCALL_DEFINE4(accept4, int, fd, struct sockaddr __user *, upeer_sockaddr,
int __user *, upeer_addrlen, int, flags)
{
struct socket *sock, *newsock;
struct file *newfile;
int err, len, newfd, fput_needed;
struct sockaddr_storage address;
......
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
newsock = sock_alloc();
newsock->type = sock->type;
newsock->ops = sock->ops;
newfd = get_unused_fd_flags(flags);
newfile = sock_alloc_file(newsock, flags, sock->sk->sk_prot_creator->name);
err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags, false);
if (upeer_sockaddr) {
if (newsock->ops->getname(newsock, (struct sockaddr *)&address, &len, 2) < 0) {
}
err = move_addr_to_user(&address,
len, upeer_sockaddr, upeer_addrlen);
}
fd_install(newfd, newfile);
......
}
accept 函数的实现，印证了 socket 的原理中说的那样，原来的 socket 是监听 socket，这里我们会找到原来的 struct socket，并基于它去创建一个新的 newsock。这才是连接 socket。除此之外，我们还会创建一个新的 struct file 和 fd，并关联到 socket。
这里面还会调用 struct socket 的 sock->ops->accept，也即会调用 inet_stream_ops 的 accept 函数，也即 inet_accept。
int inet_accept(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags, bool kern)
{
struct sock *sk1 = sock->sk;
int err = -EINVAL;
struct sock *sk2 = sk1->sk_prot->accept(sk1, flags, &err, kern);
sock_rps_record_flow(sk2);
sock_graft(sk2, newsock);
newsock->state = SS_CONNECTED;
}
inet_accept 会调用 struct sock 的 sk1->sk_prot->accept，也即 tcp_prot 的 accept 函数，inet_csk_accept 函数。
/*
* This will accept the next outstanding connection.
*/
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err, bool kern)
{
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
struct request_sock_queue *queue = &icsk->icsk_accept_queue;
struct request_sock *req;
struct sock *newsk;
int error;
if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
goto out_err;
/* Find already established connection */
if (reqsk_queue_empty(queue)) {
long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
}
req = reqsk_queue_remove(queue, sk);
newsk = req->sk;
......
}
/*
* Wait for an incoming connection, avoid race conditions. This must be called
* with the socket locked.
*/
static int inet_csk_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo)
{
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
DEFINE_WAIT(wait);
int err;
for (;;) {
prepare_to_wait_exclusive(sk_sleep(sk), &wait,
TASK_INTERRUPTIBLE);
release_sock(sk);
if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
timeo = schedule_timeout(timeo);
sched_annotate_sleep();
lock_sock(sk);
err = 0;
if (!reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
break;
err = -EINVAL;
if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
break;
err = sock_intr_errno(timeo);
if (signal_pending(current))
break;
err = -EAGAIN;
if (!timeo)
break;
}
finish_wait(sk_sleep(sk), &wait);
return err;
}
inet_csk_accept 的实现，印证了上面我们讲的两个队列的逻辑。如果 icsk_accept_queue 为空，则调用 inet_csk_wait_for_connect 进行等待；等待的时候，调用 schedule_timeout，让出 CPU，并且将进程状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE。
如果再次 CPU 醒来，我们会接着判断 icsk_accept_queue 是否为空，同时也会调用 signal_pending 看有没有信号可以处理。一旦 icsk_accept_queue 不为空，就从 inet_csk_wait_for_connect 中返回，在队列中取出一个 struct sock 对象赋值给 newsk。
解析 connect 函数
什么情况下，icsk_accept_queue 才不为空呢？当然是三次握手结束才可以。接下来我们来分析三次握手的过程。
三次握手一般是由客户端调用 connect 发起。
SYSCALL_DEFINE3(connect, int, fd, struct sockaddr __user *, uservaddr,
int, addrlen)
{
struct socket *sock;
struct sockaddr_storage address;
int err, fput_needed;
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, &address);
err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen, sock->file->f_flags);
}
connect 函数的实现一开始你应该很眼熟，还是通过 sockfd_lookup_light，根据 fd 文件描述符，找到 struct socket 结构。接着，我们会调用 struct socket 结构里面 ops 的 connect 函数，根据前面创建 socket 的时候的设定，调用 inet_stream_ops 的 connect 函数，也即调用 inet_stream_connect。
/*
* Connect to a remote host. There is regrettably still a little
* TCP 'magic' in here.
*/
int __inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
int addr_len, int flags, int is_sendmsg)
{
struct sock *sk = sock->sk;
int err;
long timeo;
switch (sock->state) {
......
case SS_UNCONNECTED:
err = -EISCONN;
if (sk->sk_state != TCP_CLOSE)
goto out;
err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
sock->state = SS_CONNECTING;
break;
}
timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
if ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {
......
if (!timeo || !inet_wait_for_connect(sk, timeo, writebias))
goto out;
err = sock_intr_errno(timeo);
if (signal_pending(current))
goto out;
}
sock->state = SS_CONNECTED;
}
在 __inet_stream_connect 里面，我们发现，如果 socket 处于 SS_UNCONNECTED 状态，那就调用 struct sock 的 sk->sk_prot->connect，也即 tcp_prot 的 connect 函数——tcp_v4_connect 函数。
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
struct sockaddr_in *usin = (struct sockaddr_in *)uaddr;
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
__be16 orig_sport, orig_dport;
__be32 daddr, nexthop;
struct flowi4 *fl4;
struct rtable *rt;
......
orig_sport = inet->inet_sport;
orig_dport = usin->sin_port;
rt = ip_route_connect(fl4, nexthop, inet->inet_saddr,
RT_CONN_FLAGS(sk), sk->sk_bound_dev_if,
IPPROTO_TCP,
orig_sport, orig_dport, sk);
......
tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);
err = inet_hash_connect(tcp_death_row, sk);
sk_set_txhash(sk);
rt = ip_route_newports(fl4, rt, orig_sport, orig_dport,
inet->inet_sport, inet->inet_dport, sk);
/* OK, now commit destination to socket. */
sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4;
sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
if (likely(!tp->repair)) {
if (!tp->write_seq)
tp->write_seq = secure_tcp_seq(inet->inet_saddr,
inet->inet_daddr,
inet->inet_sport,
usin->sin_port);
tp->tsoffset = secure_tcp_ts_off(sock_net(sk),
inet->inet_saddr,
inet->inet_daddr);
}
rt = NULL;
......
err = tcp_connect(sk);
......
}
在 tcp_v4_connect 函数中，ip_route_connect 其实是做一个路由的选择。为什么呢？因为三次握手马上就要发送一个 SYN 包了，这就要凑齐源地址、源端口、目标地址、目标端口。目标地址和目标端口是服务端的，已经知道源端口是客户端随机分配的，源地址应该用哪一个呢？这时候要选择一条路由，看从哪个网卡出去，就应该填写哪个网卡的 IP 地址。
接下来，在发送 SYN 之前，我们先将客户端 socket 的状态设置为 TCP_SYN_SENT。然后初始化 TCP 的 seq num，也即 write_seq，然后调用 tcp_connect 进行发送。
/* Build a SYN and send it off. */
int tcp_connect(struct sock *sk)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *buff;
int err;
......
tcp_connect_init(sk);
......
buff = sk_stream_alloc_skb(sk, 0, sk->sk_allocation, true);
......
tcp_init_nondata_skb(buff, tp->write_seq++, TCPHDR_SYN);
tcp_mstamp_refresh(tp);
tp->retrans_stamp = tcp_time_stamp(tp);
tcp_connect_queue_skb(sk, buff);
tcp_ecn_send_syn(sk, buff);
/* Send off SYN; include data in Fast Open. */
err = tp->fastopen_req ? tcp_send_syn_data(sk, buff) :
tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);
......
tp->snd_nxt = tp->write_seq;
tp->pushed_seq = tp->write_seq;
buff = tcp_send_head(sk);
if (unlikely(buff)) {
tp->snd_nxt = TCP_SKB_CB(buff)->seq;
tp->pushed_seq = TCP_SKB_CB(buff)->seq;
}
......
/* Timer for repeating the SYN until an answer. */
inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
return 0;
}
在 tcp_connect 中，有一个新的结构 struct tcp_sock，如果打开他，你会发现他是 struct inet_connection_sock 的一个扩展，struct inet_connection_sock 在 struct tcp_sock 开头的位置，通过强制类型转换访问，故伎重演又一次。
struct tcp_sock 里面维护了更多的 TCP 的状态，咱们同样是遇到了再分析。
接下来 tcp_init_nondata_skb 初始化一个 SYN 包，tcp_transmit_skb 将 SYN 包发送出去，inet_csk_reset_xmit_timer 设置了一个 timer，如果 SYN 发送不成功，则再次发送。
发送网络包的过程，我们放到下一节讲解。这里我们姑且认为 SYN 已经发送出去了。
我们回到 __inet_stream_connect 函数，在调用 sk->sk_prot->connect 之后，inet_wait_for_connect 会一直等待客户端收到服务端的 ACK。而我们知道，服务端在 accept 之后，也是在等待中。
网络包是如何接收的呢？对于解析的详细过程，我们会在下下节讲解，这里为了解析三次握手，我们简单的看网络包接收到 TCP 层做的部分事情。
static struct net_protocol tcp_protocol = {
.early_demux = tcp_v4_early_demux,
.early_demux_handler = tcp_v4_early_demux,
.handler = tcp_v4_rcv,
.err_handler = tcp_v4_err,
.no_policy = 1,
.netns_ok = 1,
.icmp_strict_tag_validation = 1,
}
我们通过 struct net_protocol 结构中的 handler 进行接收，调用的函数是 tcp_v4_rcv。接下来的调用链为 tcp_v4_rcv->tcp_v4_do_rcv->tcp_rcv_state_process。tcp_rcv_state_process，顾名思义，是用来处理接收一个网络包后引起状态变化的。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
struct request_sock *req;
int queued = 0;
bool acceptable;
switch (sk->sk_state) {
......
case TCP_LISTEN:
......
if (th->syn) {
acceptable = icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) >= 0;
if (!acceptable)
return 1;
consume_skb(skb);
return 0;
}
......
}
目前服务端是处于 TCP_LISTEN 状态的，而且发过来的包是 SYN，因而就有了上面的代码，调用 icsk->icsk_af_ops->conn_request 函数。struct inet_connection_sock 对应的操作是 inet_connection_sock_af_ops，按照下面的定义，其实调用的是 tcp_v4_conn_request。
const struct inet_connection_sock_af_ops ipv4_specific = {
.queue_xmit = ip_queue_xmit,
.send_check = tcp_v4_send_check,
.rebuild_header = inet_sk_rebuild_header,
.sk_rx_dst_set = inet_sk_rx_dst_set,
.conn_request = tcp_v4_conn_request,
.syn_recv_sock = tcp_v4_syn_recv_sock,
.net_header_len = sizeof(struct iphdr),
.setsockopt = ip_setsockopt,
.getsockopt = ip_getsockopt,
.addr2sockaddr = inet_csk_addr2sockaddr,
.sockaddr_len = sizeof(struct sockaddr_in),
.mtu_reduced = tcp_v4_mtu_reduced,
};
tcp_v4_conn_request 会调用 tcp_conn_request，这个函数也比较长，里面调用了 send_synack，但实际调用的是 tcp_v4_send_synack。具体发送的过程我们不去管它，看注释我们能知道，这是收到了 SYN 后，回复一个 SYN-ACK，回复完毕后，服务端处于 TCP_SYN_RECV。
int tcp_conn_request(struct request_sock_ops *rsk_ops,
const struct tcp_request_sock_ops *af_ops,
struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
......
af_ops->send_synack(sk, dst, &fl, req, &foc,
!want_cookie ? TCP_SYNACK_NORMAL :
TCP_SYNACK_COOKIE);
......
}
/*
* Send a SYN-ACK after having received a SYN.
*/
static int tcp_v4_send_synack(const struct sock *sk, struct dst_entry *dst,
struct flowi *fl,
struct request_sock *req,
struct tcp_fastopen_cookie *foc,
enum tcp_synack_type synack_type)
{......}
这个时候，轮到客户端接收网络包了。都是 TCP 协议栈，所以过程和服务端没有太多区别，还是会走到 tcp_rcv_state_process 函数的，只不过由于客户端目前处于 TCP_SYN_SENT 状态，就进入了下面的代码分支。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
struct request_sock *req;
int queued = 0;
bool acceptable;
switch (sk->sk_state) {
......
case TCP_SYN_SENT:
tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;
tcp_mstamp_refresh(tp);
queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th);
if (queued >= 0)
return queued;
/* Do step6 onward by hand. */
tcp_urg(sk, skb, th);
__kfree_skb(skb);
tcp_data_snd_check(sk);
return 0;
}
......
}
tcp_rcv_synsent_state_process 会调用 tcp_send_ack，发送一个 ACK-ACK，发送后客户端处于 TCP_ESTABLISHED 状态。
又轮到服务端接收网络包了，我们还是归 tcp_rcv_state_process 函数处理。由于服务端目前处于状态 TCP_SYN_RECV 状态，因而又走了另外的分支。当收到这个网络包的时候，服务端也处于 TCP_ESTABLISHED 状态，三次握手结束。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
struct request_sock *req;
int queued = 0;
bool acceptable;
......
switch (sk->sk_state) {
case TCP_SYN_RECV:
if (req) {
inet_csk(sk)->icsk_retransmits = 0;
reqsk_fastopen_remove(sk, req, false);
} else {
/* Make sure socket is routed, for correct metrics. */
icsk->icsk_af_ops->rebuild_header(sk);
tcp_call_bpf(sk, BPF_SOCK_OPS_PASSIVE_ESTABLISHED_CB);
tcp_init_congestion_control(sk);
tcp_mtup_init(sk);
tp->copied_seq = tp->rcv_nxt;
tcp_init_buffer_space(sk);
}
smp_mb();
tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
sk->sk_state_change(sk);
if (sk->sk_socket)
sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_IO, POLL_OUT);
tp->snd_una = TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq;
tp->snd_wnd = ntohs(th->window) << tp->rx_opt.snd_wscale;
tcp_init_wl(tp, TCP_SKB_CB(skb)->seq);
break;
......
}
总结时刻
这一节除了网络包的接收和发送，其他的系统调用我们都分析到了。可以看出来，它们有一个统一的数据结构和流程。具体如下图所示：
首先，Socket 系统调用会有三级参数 family、type、protocal，通过这三级参数，分别在 net_proto_family 表中找到 type 链表，在 type 链表中找到 protocal 对应的操作。这个操作分为两层，对于 TCP 协议来讲，第一层是 inet_stream_ops 层，第二层是 tcp_prot 层。
于是，接下来的系统调用规律就都一样了：
- bind 第一层调用 inet_stream_ops 的 inet_bind 函数，第二层调用 tcp_prot 的 inet_csk_get_port 函数；
- listen 第一层调用 inet_stream_ops 的 inet_listen 函数，第二层调用 tcp_prot 的 inet_csk_get_port 函数；
- accept 第一层调用 inet_stream_ops 的 inet_accept 函数，第二层调用 tcp_prot 的 inet_csk_accept 函数；
- connect 第一层调用 inet_stream_ops 的 inet_stream_connect 函数，第二层调用 tcp_prot 的 tcp_v4_connect 函数。
课堂练习
TCP 的三次握手协议非常重要，请你务必跟着代码走读一遍。另外我们这里重点关注了 TCP 的场景，请走读代码的时候，也看一下 UDP 是如何实现各层的函数的。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
文章来源： https://study.disign.me/article/20250237/46.socket-kernel-struct.md
发布时间: 2025-02-14
作者： 技术书栈编辑