Linux网络：基于文件的网络架构

- 网络架构
- TCP全连接队列

网络架构

在Linux中提供了多种系统调用，完成网络操作。比如TCP连接的建立，各种报文的收发等等。但是所有的Linux网络操作，都源于系统调用socket，

在这里插入图片描述

在Linux的man手册中，对这个系统调用做了描述，表示返回值是一个file descriptor文件描述符。后续建立连接、监听连接、收发报文都要基于这个返回值，也就是说：在Linux中网络被当作一个文件处理，这符合Linux的一切皆文件理念。

接下来以TCP为例，讲解Linux中的网络架构，源码版本为Linux 2.6.26。

struct tcp_sock：

TCP由结构体struct tcp_sock管理。

struct tcp_sock {
	struct inet_connection_sock	inet_conn;
	u16	tcp_header_len;
	u16	xmit_size_goal;
	// ...
};

这是TCP最底层的结构体，每创建一个TCP连接，底层都会维护一个这样的结构体。它记录了TCP的部分信息。

tcp_header_len这个成员记录了 TCP 头部的长度，单位是字节。 TCP 头部长度是可变的，因为它可以包含多个 TCP 选项。这个值用于在发送数据时确定需要预留多少空间给 TCP 头部。

xmit_size_goal这个成员定义了输出数据包的目标大小。它是发送数据时的一个目标值，用于分段输出数据。这个值可以帮助 TCP 层决定每个数据包应该发送多少数据。

其中最重要的是inet_conn，它的类型是struct inet_connection_sock。

struct inet_connection_sock：

struct inet_connection_sock {
	/* inet_sock has to be the first member! */
	struct inet_sock	  icsk_inet;
	struct request_sock_queue icsk_accept_queue;
	//...
};

在这个结构体中，包含了各种连接的相关信息，比如拥塞控制算法的相关参数，报文的重传次数，退避算法的退避时长等等。

其中icsk_accept_queue称为全连接队列，这个会在后文专门讲解。

其第一个成员icsk_inet也是一个结构体，类型为struct inet_sock。

struct inet_sock：

struct inet_sock {
	/* sk and pinet6 has to be the first two members of inet_sock */
	struct sock		sk;
#if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)
	struct ipv6_pinfo	*pinet6;
#endif
	/* Socket demultiplex comparisons on incoming packets. */
	__be32			daddr;
	__be32			rcv_saddr;
	__be16			dport;
	__u16			num;
	__be32			saddr;
	//...
}

该结构体是 Linux 内核中处理基于 IP 套接字的通用结构体，它包含了 IP 层的套接字信息。

其中#if到#endif是一个条件编译信息，如果使用IPv6协议，就会启用内部的指针pinet6，指向一个管理IPv6的结构体。

其还存储了一些IP协议的相关信息，比如daddr是目标地址，dport是目标端口，saddr是源地址等等。

这个结构体的第一个成员sk，类型为struct sock。

struct sock：

struct sock {
	/*
	 * Now struct inet_timewait_sock also uses sock_common, so please just
	 * don't add nothing before this first member (__sk_common) --acme
	 */
	struct sock_common	__sk_common;

	//...
	struct sk_buff_head	sk_receive_queue;
	struct sk_buff_head	sk_write_queue;
	//...
}

struct sock 结构体是所有类型套接字的通用结构体，包括 TCP、UDP 和原始套接字等。

其中sk_receive_queue指向接收缓冲区，用于存储已经接收到，但是未被用户读取走的数据。sk_write_queue指向发送缓冲区，也就是用户交给操作系统，但是尚未被发送到网络的数据。

至此，已经大致打通了一个套接字管理的四个结构体：

在这里插入图片描述

自顶向下为：

struct sock：套接字的通用结构体
struct inet_sock：管理IP层的相关信息
struct inet_connection_sock：管理网络连接
struct tcp_sock：管理TCP连接

但是目前好像还没有看到和文件相关的内容？

其实网络与文件的衔接，是由struct socket完成的。

struct socket {
	socket_state		state;
	unsigned long		flags;
	const struct proto_ops	*ops;
	struct fasync_struct	*fasync_list;
	struct file		*file;
	struct sock		*sk;
	wait_queue_head_t	wait;
	short			type;
};

在 Linux 中，struct socket 结构体是用户空间与内核空间之间的接口，用于实现网络通信。

例如第一个成员state表示套接字的状态，比如已连接、未连接、正在连接等等。ops是一个结构体指针，指向的结构体是一个方法集，内部包含套接字的函数指针。

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		(*socketpair)(struct socket *sock1,
				      struct socket *sock2);
	int		(*accept)    (struct socket *sock,
				      struct socket *newsock, int flags);
	int		(*listen)    (struct socket *sock, int len);
	int		(*setsockopt)(struct socket *sock, int level,
				      int optname, char __user *optval, int 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);
	// ...
};

在这个opt内部，可以看到很多系统调用的身影，比如listen、bind、sendmsg、recvmsg等等，TCP中收发信息使用的sendto、recvfrom系统调用，就是通过这些指针来实现的。

当使用套接字收发消息的时候，就会通过传入的文件描述符找到struct socket，进而找到opt，在opt内部查找收发消息的函数，完成数据传递。

那么为什么不能直接把这些函数写在struct sock内部，而是要使用一个struct proto_ops？

这个struct sock既可以管理TCP也可以管理UDP，这两个协议所使用的函数当然不同。以bind为例，TCP的struct sock调用bind时，调用的其实是sock->opt->bind()，UDP同理也去调用sock->opt->bind()。只要定义套接字时，opt这个指针指向不同的struct proto_ops，那么TCP与UDP就会调用到不同的函数。

可以发现，这其实是C语言的一种多态实现方式，不同对象调用相同的方法，结果不一样。

struct socket还有一个sk成员，其类型为struct sock*，也就是指向之前四个层次的顶层。

在这里插入图片描述

在struct socket中，还有一个和网络看似毫不相关的成员file，其类型为struct file*。这是Linux内核这中，描述一个文件的结构。也就是说struct socket对上将网络操作转化为文件操作，对下管理网络信息，并提供网络通信所需的函数。

在struct file中，有一个private_data成员：

struct file {
	//...
#ifdef CONFIG_SECURITY
	void			*f_security;
#endif
	/* needed for tty driver, and maybe others */
	void			*private_data;
	
	//...
};

其类型为void*，经过条件编译产生。如果一个文件指向网络操作，那么这个private_data就会启用，并指向struct socket。

至此，就可以看清Linux的网络架构全貌了：

在这里插入图片描述

当用户调用接口创建套接字，会得到一个文件描述符sockfd，它指向一个文件。当通过sockfd操作网络时，会去查找该描述符对应的文件，在文件内部通过private_data找到struct socket，这里面包含各种网络操作的具体函数。再往下可以通过sk找到管理一个连接的struct sock，这里面包含这个连接的各种信息。

有了操作网络的方法和一个网络连接的相关信息，那么操作网络就可以实现了。

不过从用户的角度出发，用户看不到底层的网络信息，也无法直接接触socket->opt。也就是说Linux把网络完全隐藏起来了，对用户只表现为一个文件描述符sockfd以及文件操作。

TCP全连接队列

最后简单讲解一下TCP的全连接队列，全连接队列就是inte_connection_sock下的icsk_accept_queue。它完全由Linux内核管理，按理来说用户是无需关心这个内容的，但是在TCP的listen函数中，第二个参数backlog与其相关，所以再此要提一下。

listen函数声明：