内核中的TCP的追踪分析－3-TCP（IPV4)的socket的地址绑定

qinjiana0786

今天我们继续内核中的TCP的socket的学习，同样按照Unix那节中的socket地址绑定的路线我们来分析一下，我们看到在以前的练习中有这样的绑定代码
bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len);
上面的练习请参考http://blog.chinaunix.net/u2/64681/showart_1280050.html2-socket的实践到内核-－socket使用IP地址通讯的那节练习
首先也是进入系统调用的总入口处sys_socketcall()系统调用处
    case SYS_BIND:
        err = sys_bind(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
        break;

很明显我们要进入sys_bind，朋友们请参考我的另一篇文章
http://blog.chinaunix.net/u2/64681/showart_1308464.html
，在那里我们讲述了进入sys_bind函数的过程，我们直接跳过细节部分，首先在sys_bind中使用sockfd_lookup_light()找到我们在上一节创建的socket，接着要把我们练习中的地址结构变量通过move_addr_to_kernel()拷贝到局部数组变量char address[MAX_SOCK_ADDR]中。我们看一下练习中的声明的struct sockaddr_in server_address;我们以前说过unix的socket使用的地址结构是struct sockaddr_un，而结构struct sockaddr_in我们还没有看过
/* Structure describing an Internet (IP) socket address. */
#define __SOCK_SIZE__    16        /* sizeof(struct sockaddr)    */
struct sockaddr_in {
  sa_family_t        sin_family;    /* Address family        */
  __be16        sin_port;    /* Port number            */
  struct in_addr    sin_addr;    /* Internet address        */
  /* Pad to size of `struct sockaddr'. */
  unsigned char        __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
            sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
}；

这个结构正象注释中说明的那样用于IP的socket地址使用。而在练习中我们看到
server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    server_address.sin_port = 9734;

对照上面的结构我们发现还有一个__pad数组我们没看到对他的赋值和操作，这个数组主要作用填充保障我们的地址数据结构与通用的sockaddr数据结构保持相同的大小。而sockaddr结构我们在
http://blog.chinaunix.net/u2/64681/showart_1308464.html
章节中看到过了，不了解的朋友可以回过头去看一下，此后我们在应用程序中设置的地址结构的数据都复制到了sys_bind()函数中的数组变量address中了，接着我们看到会执行
sock->ops->bind(sock,(struct sockaddr *) address, addrlen);
在这里应该明白了上面__pad的作用了，确实是为了将我们的数据能够正确对应到sockaddr结构的大小起填充作用的。我们回忆一下昨天讲到的socket的创建过程中对ops钩子结构的操作，在那里将socket的ops通过answer结构变量转接入了inet_stream_ops,所以这里会跳入这个钩子结构去执行，我们先看一下这个结构
const struct proto_ops inet_stream_ops = {
    .family         = PF_INET,
    .owner         = THIS_MODULE,
    .release     = inet_release,
    .bind         = inet_bind,
    .connect     = inet_stream_connect,
    .socketpair     = sock_no_socketpair,
    .accept         = inet_accept,
    .getname     = inet_getname,
    .poll         = tcp_poll,
    .ioctl         = inet_ioctl,
    .listen         = inet_listen,
    .shutdown     = inet_shutdown,
    .setsockopt     = sock_common_setsockopt,
    .getsockopt     = sock_common_getsockopt,
    .sendmsg     = tcp_sendmsg,
    .recvmsg     = sock_common_recvmsg,
    .mmap         = sock_no_mmap,
    .sendpage     = tcp_sendpage,
    .splice_read     = tcp_splice_read,
#ifdef CONFIG_COMPAT
    .compat_setsockopt = compat_sock_common_setsockopt,
    .compat_getsockopt = compat_sock_common_getsockopt,
#endif
};

结构中其他的部分我们暂且不要关心，只注意.bind= inet_bind这一句，也就是说会执行钩子函数inet_bind。我是无名小卒，请转载的朋友注明出处。这个函数在/net/ipv4/Af_inet.c中的449行处
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);
    unsigned short snum;
    int chk_addr_ret;
    int err;
    /* If the socket has its own bind function then use it. (RAW) */
    if (sk->sk_prot->bind) {
        err = sk->sk_prot->bind(sk, uaddr, addr_len);
        goto out;
    }
    err = -EINVAL;
    if (addr_len  sizeof(struct sockaddr_in))
        goto out;
    chk_addr_ret = inet_addr_type(sock_net(sk), addr->sin_addr.s_addr);
    /* Not specified by any standard per-se, however it breaks too
     * many applications when removed. It is unfortunate since
     * allowing applications to make a non-local bind solves
     * several problems with systems using dynamic addressing.
     * (ie. your servers still start up even if your ISDN link
     * is temporarily down)
     */
    err = -EADDRNOTAVAIL;
    if (!sysctl_ip_nonlocal_bind &&
     !inet->freebind &&
     addr->sin_addr.s_addr != htonl(INADDR_ANY) &&
     chk_addr_ret != RTN_LOCAL &&
     chk_addr_ret != RTN_MULTICAST &&
     chk_addr_ret != RTN_BROADCAST)
        goto out;
    snum = ntohs(addr->sin_port);
    err = -EACCES;
    if (snum && snum  PROT_SOCK && !capable(CAP_NET_BIND_SERVICE))
        goto out;
    /* We keep a pair of addresses. rcv_saddr is the one
     * used by hash lookups, and saddr is used for transmit.
     *
     * In the BSD API these are the same except where it
     * would be illegal to use them (multicast/broadcast) in
     * which case the sending device address is used.
     */
    lock_sock(sk);
    /* Check these errors (active socket, double bind). */
    err = -EINVAL;
    if (sk->sk_state != TCP_CLOSE || inet->num)
        goto out_release_sock;
    inet->rcv_saddr = inet->saddr = addr->sin_addr.s_addr;
    if (chk_addr_ret == RTN_MULTICAST || chk_addr_ret == RTN_BROADCAST)
        inet->saddr = 0; /* Use device */
    /* Make sure we are allowed to bind here. */
    if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
        inet->saddr = inet->rcv_saddr = 0;
        err = -EADDRINUSE;
        goto out_release_sock;
    }
    if (inet->rcv_saddr)
        sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDADDR_LOCK;
    if (snum)
        sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDPORT_LOCK;
    inet->sport = htons(inet->num);
    inet->daddr = 0;
    inet->dport = 0;
    sk_dst_reset(sk);
    err = 0;
out_release_sock:
    release_sock(sk);
out:
    return err;
}

可能函数看起来比较长，贴出完整的是为了朋友们在下面阅读的随时对照，但是请朋友们看完了我的分析自己再单独阅读一下上面的代码，这样有利于提高朋友阅读代码的能力同时也加深对函数的理解。在这里我们首先看到再次将通用的数据结构sockaddr转换成我们IP中作用的地址结构sockaddr_in，这个结构已经在上面看过了。并且从socket中取出sock结构转换成我们IP使用的sock专用的结构inet_sock。接着我们看到使用sock中的sk_prot钩子结构来调用bind，而sk_prot则在上一节创建socket时我们说到了他是如何挂钩的，这里直接进入挂入的tcp_prot结构变量，它是传输层的结构体，但是我们在那里没有看到他挂入的bind钩子函数。所以if (sk->sk_prot->bind) 语句就失效了。然而函数下面是检测一下地址长度是否正确。此后进入inet_addr_type来检查地址的类型
unsigned int inet_addr_type(struct net *net, __be32 addr)
{
    return __inet_dev_addr_type(net, NULL, addr);
}
static inline unsigned __inet_dev_addr_type(struct net *net,
                     const struct net_device *dev,
                     __be32 addr)
{
    struct flowi        fl = { .nl_u = { .ip4_u = { .daddr = addr } } };
    struct fib_result    res;
    unsigned ret = RTN_BROADCAST;
    struct fib_table *local_table;
    if (ipv4_is_zeronet(addr) || ipv4_is_lbcast(addr))
        return RTN_BROADCAST;
    if (ipv4_is_multicast(addr))
        return RTN_MULTICAST;
#ifdef CONFIG_IP_MULTIPLE_TABLES
    res.r = NULL;
#endif
    local_table = fib_get_table(net, RT_TABLE_LOCAL);
    if (local_table) {
        ret = RTN_UNICAST;
        if (!local_table->tb_lookup(local_table, &fl, &res)) {
            if (!dev || dev == res.fi->fib_dev)
                ret = res.type;
            fib_res_put(&res);
        }
    }
    return ret;
}

在上面函数中有几个数据结构，首先是struct flowi结构用于路由的键值。我们看到他内部的nl_u是一个联合，联合内部有三个ip4_u、ip6_u以及dn_u结构体。所以上面的struct flowi     fl = { .nl_u = { .ip4_u = { .daddr = addr } } };用我们在练习中的inet_addr("127.0.0.1")地址初始了这个路由键值结构变量fl。struct fib_result是返回路由查询结果用的，而struct fib_table则是路由表的结构体。函数中首先是检查确定使用本地的广播地址或者是多播地址。接着我们要结合参数net来分析，但是struct net我们还没有看过，我们看到上面传递下来的是sock_net(sk)给net的
static inline
struct net *sock_net(const struct sock *sk)
{
#ifdef CONFIG_NET_NS
    return sk->sk_net;
#else
    return &init_net;
#endif
}


Struct net结构非常大，他是专门用于命名网络所使用的数据结构。我们这里不列出了，只不过根据上面sock_net取我们所使用的网络空间结构。我们在分配sock结构时在sk_alloc函数中曾经调用了sock_net_set对sk_net进行挂入操作

static inline
void sock_net_set(struct sock *sk, struct net *net)
{
#ifdef CONFIG_NET_NS
    sk->sk_net = net;
#endif
}
而层层传递下来的net参数则是从在创建socket时
int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
{
    return __sock_create(current->nsproxy->net_ns, family, type, protocol, res, 0);
}
这个current则是当前进程的task_struct结构，其内部有一个系统的命名空间的结构变量
/* namespaces */
       struct nsproxy *nsproxy;
这个命名空间结构中则封装着系统进程所有的共享的命名空间
struct nsproxy {
    atomic_t count;
    struct uts_namespace *uts_ns;
    struct ipc_namespace *ipc_ns;
    struct mnt_namespace *mnt_ns;
    struct pid_namespace *pid_ns;
    struct user_namespace *user_ns;
    struct net      *net_ns;
};
在内核中CONFIG_NET_NS配置选项是为了让用户自定义自己的网络空间结构，即上面的net结构，可以看出2.6.26内核的灵活性，但是我们一般在内核中不会配置该项，所以这里应该是取得init_net，这个结构是什么时间被初始化的呢？明天继续本文。


本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u2/64681/showart_1362024.html