Linux内核--网络栈实现分析（六）--应用层获取数据包（上）

2022-10-23 15:54:48

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。

Linux内核--网络栈实现分析（六）--应用层获取数据包（上）

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。

  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. asmlinkage int sys_socketcall(int call, unsigned long *args)
  11. {
  12. int er;
  13. switch(call)
  14. {
  15. case SYS_SOCKET:
  16. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
  17. if(er)
  18. return er;
  19. return(sock_socket(get_fs_long(args+0),
  20. get_fs_long(args+1),
  21. get_fs_long(args+2)));
  22. case SYS_BIND:
  23. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
  24. if(er)
  25. return er;
  26. return(sock_bind(get_fs_long(args+0),
  27. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),
  28. get_fs_long(args+2)));
  29. case SYS_CONNECT:
  30. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
  31. if(er)
  32. return er;
  33. return(sock_connect(get_fs_long(args+0),
  34. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),
  35. get_fs_long(args+2)));
  36. case SYS_LISTEN:
  37. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 2 * sizeof(long));
  38. if(er)
  39. return er;
  40. return(sock_listen(get_fs_long(args+0),
  41. get_fs_long(args+1)));
  42. case SYS_ACCEPT:
  43. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
  44. if(er)
  45. return er;
  46. return(sock_accept(get_fs_long(args+0),
  47. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),
  48. (int *)get_fs_long(args+2)));
  49. case SYS_GETSOCKNAME:
  50. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
  51. if(er)
  52. return er;
  53. return(sock_getsockname(get_fs_long(args+0),
  54. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),
  55. (int *)get_fs_long(args+2)));
  56. case SYS_GETPEERNAME:
  57. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 3 * sizeof(long));
  58. if(er)
  59. return er;
  60. return(sock_getpeername(get_fs_long(args+0),
  61. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+1),
  62. (int *)get_fs_long(args+2)));
  63. case SYS_SOCKETPAIR:
  64. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 4 * sizeof(long));
  65. if(er)
  66. return er;
  67. return(sock_socketpair(get_fs_long(args+0),
  68. get_fs_long(args+1),
  69. get_fs_long(args+2),
  70. (unsigned long *)get_fs_long(args+3)));
  71. case SYS_SEND:
  72. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 4 * sizeof(unsigned long));
  73. if(er)
  74. return er;
  75. return(sock_send(get_fs_long(args+0),
  76. (void *)get_fs_long(args+1),
  77. get_fs_long(args+2),
  78. get_fs_long(args+3)));
  79. case SYS_SENDTO:
  80. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 6 * sizeof(unsigned long));
  81. if(er)
  82. return er;
  83. return(sock_sendto(get_fs_long(args+0),
  84. (void *)get_fs_long(args+1),
  85. get_fs_long(args+2),
  86. get_fs_long(args+3),
  87. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+4),
  88. get_fs_long(args+5)));
  89. case SYS_RECV:
  90. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 4 * sizeof(unsigned long));
  91. if(er)
  92. return er;
  93. return(sock_recv(get_fs_long(args+0),
  94. (void *)get_fs_long(args+1),
  95. get_fs_long(args+2),
  96. get_fs_long(args+3)));
  97. case SYS_RECVFROM:
  98. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 6 * sizeof(unsigned long));
  99. if(er)
  100. return er;
  101. return(sock_recvfrom(get_fs_long(args+0),
  102. (void *)get_fs_long(args+1),
  103. get_fs_long(args+2),
  104. get_fs_long(args+3),
  105. (struct sockaddr *)get_fs_long(args+4),
  106. (int *)get_fs_long(args+5)));
  107. case SYS_SHUTDOWN:
  108. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 2* sizeof(unsigned long));
  109. if(er)
  110. return er;
  111. return(sock_shutdown(get_fs_long(args+0),
  112. get_fs_long(args+1)));
  113. case SYS_SETSOCKOPT:
  114. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 5*sizeof(unsigned long));
  115. if(er)
  116. return er;
  117. return(sock_setsockopt(get_fs_long(args+0),
  118. get_fs_long(args+1),
  119. get_fs_long(args+2),
  120. (char *)get_fs_long(args+3),
  121. get_fs_long(args+4)));
  122. case SYS_GETSOCKOPT:
  123. er=verify_area(VERIFY_READ, args, 5*sizeof(unsigned long));
  124. if(er)
  125. return er;
  126. return(sock_getsockopt(get_fs_long(args+0),
  127. get_fs_long(args+1),
  128. get_fs_long(args+2),
  129. (char *)get_fs_long(args+3),
  130. (int *)get_fs_long(args+4)));
  131. default:
  132. return(-EINVAL);
  133. }
  134. }

上面系统调用的宏定义如下：

  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。

  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. static int sock_recvfrom(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,
  7. struct sockaddr *addr, int *addr_len)
  8. {
  9. struct socket *sock;
  10. struct file *file;
  11. char address[MAX_SOCK_ADDR];
  12. int err;
  13. int alen;
  14. if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))
  15. return(-EBADF);
  16. if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL)))
  17. return(-ENOTSOCK);
  18. if(len<0)
  19. return -EINVAL;
  20. if(len==0)
  21. return 0;
  22. err=verify_area(VERIFY_WRITE,buff,len);
  23. if(err)
  24. return err;
  25. //进行相应检查后调用下层函数，INET域则为inet_recvfrom()函数
  26. len=sock->ops->recvfrom(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),
  27. flags, (struct sockaddr *)address, &alen);
  28. if(len<0)
  29. return len;
  30. 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
  31. return err;
  32. return len;
  33. }

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：

  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()

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

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：

  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。

  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. static int sock_read(struct inode *inode, struct file *file, char *ubuf, int size)
  6. {
  7. struct socket *sock;
  8. int err;
  9. if (!(sock = socki_lookup(inode)))
  10. {
  11. printk("NET: sock_read: can't find socket for inode!\n");
  12. return(-EBADF);
  13. }
  14. if (sock->flags & SO_ACCEPTCON)
  15. return(-EINVAL);
  16. if(size<0)
  17. return -EINVAL;
  18. if(size==0)
  19. return 0;
  20. if ((err=verify_area(VERIFY_WRITE,ubuf,size))<0)
  21. return err;
  22. 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
  23. }

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。

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