深入解析Socket结构与实现

在Linux内核中，Socket是一种重要的网络通信工具，用户通过系统调用创建和管理Socket。每个Socket都由一个整数标识，称为套接字描述符。这个描述符在内核中被映射为一个复杂的结构体，该结构体包含了Socket的所有属性和数据。

### 基本的Socket结构

`struct socket` 是最基本的BSD Socket结构体，无论用户创建何种类型的Socket，最初都会创建这个结构体。之后，根据不同的需求，会在其基础上进行扩展。`struct socket` 可以视为一个文件，因此可以在虚拟文件系统中安全地进行扩展。以下是 `struct socket` 的完整定义：

```c
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;
};
```

- **state**：表示Socket的状态，是一个枚举变量，主要用于TCP Socket，因为TCP是面向连接的协议。
- **flags**：一组标志位，目前在内核中并未实际使用。
- **ops**：一组协议相关的操作集，定义在 `struct proto_ops` 中。
- **type**：Socket的类型，例如 SOCK_STREAM 表示流式Socket，SOCK_DGRAM 表示数据报Socket。

### 协议操作集

`struct proto_ops` 定义了一组协议相关的操作函数，用于处理不同类型的Socket。以下是 `struct proto_ops` 的定义：

```c
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 (*getname)(struct socket *sock, struct sockaddr *addr, int *sockaddr_len, int peer);
unsigned int (*poll)(struct file *file, struct socket *sock, struct poll_table_struct *wait);
int (*ioctl)(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg);
int (*listen)(struct socket *sock, int len);
int (*shutdown)(struct socket *sock, int flags);
int (*setsockopt)(struct socket *sock, int level, int optname, char __user *optval, int optlen);
int (*getsockopt)(struct socket *sock, int level, int optname, char __user *optval, int __user *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);
int (*mmap)(struct file *file, struct socket *sock, struct vm_area_struct *vma);
ssize_t (*sendpage)(struct socket *sock, struct page *page, int offset, size_t size, int flags);
};
```

内核中定义了多个 `struct proto_ops` 实例，如 `myinet_stream_ops`、`myinet_dgram_ops` 和 `myinet_sockraw_ops`，分别对应流协议、数据报协议和原始套接字协议。

### 网络层的Socket表示

在网络层，Socket由 `struct sock` 结构体表示。`struct sock` 比较复杂，包含了许多重要的成员变量，例如：

- **sk_prot** 和 **sk_prot_creator**：指向特定协议的处理函数集，类型为 `struct proto`。
- **sk_state**：表示Socket的连接状态，比 `struct socket` 中的 `state` 更加精细。
- **sk_rcvbuf** 和 **sk_sndbuf**：分别表示接收和发送缓冲区的大小。
- **sk_receive_queue** 和 **sk_write_queue**：分别为接收缓冲队列和发送缓冲队列，队列中的每个元素是一个 `struct sk_buff`，表示一个套接字缓冲区。

### INET域专用的Socket结构

`struct inet_sock` 是INET域专用的Socket结构体，在 `struct sock` 的基础上进行了扩展，提供了INET域特有的属性，如TTL、组播列表、IP地址和端口等。以下是 `struct inet_sock` 的定义：

```c
struct inet_sock {
struct sock sk;
#if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)
struct ipv6_pinfo *pinet6;
#endif
__u32 daddr; // IPv4的目的地址
__u32 rcv_saddr; // IPv4的本地接收地址
__u16 dport; // 目的端口
__u16 num; // 本地端口（主机字节序）
__u32 saddr; // 发送地址
__s16 uc_ttl; // 单播的TTL
__u16 cmsg_flags;
struct ip_options *opt;
__u16 sport; // 源端口
__u16 id; // 单调递增的一个值，用于赋给iphdr的id域
__u8 tos; // 服务类型
__u8 mc_ttl; // 组播的TTL
__u8 pmtudisc;
__u8 recverr:1,
is_icsk:1,
freebind:1,
hdrincl:1, // 是否自己构建IP首部（用于raw协议）
mc_loop:1; // 组播是否发向回路
int mc_index; // 组播使用的本地设备接口的索引
__u32 mc_addr; // 组播源地址
struct ip_mc_socklist *mc_list; // 组播组列表
struct {
unsigned int flags;
unsigned int fragsize;
struct ip_options *opt;
struct rtable *rt;
int length;
u32 addr;
struct flowi fl;
} cork;
};
```

### 其他协议专用的Socket结构

- **RAW协议**：`struct raw_sock` 是RAW协议专用的Socket结构体，在 `struct inet_sock` 的基础上进行了扩展，主要处理ICMP协议的过滤设置。
- **UDP协议**：`struct udp_sock` 是UDP协议专用的Socket结构体，在 `struct inet_sock` 的基础上进行了扩展，主要处理UDP协议的特定功能。
- **TCP协议**：`struct tcp_sock` 是TCP协议专用的Socket结构体，在 `struct inet_connection_sock` 的基础上进行了扩展，增加了滑动窗口协议和拥塞控制算法等TCP特有的属性。
- **TIME-WAIT状态**：`struct tcp_timewait_sock` 是在 `struct inet_timewait_sock` 的基础上进行扩展，用于处理TCP连接的TIME-WAIT状态。
- **请求Socket**：`struct tcp_request_sock` 是在 `struct inet_request_sock` 的基础上进行扩展，用于处理TCP连接的初始请求阶段。

通过以上内容，我们可以更全面地理解Socket在Linux内核中的实现机制，从而更好地进行网络编程和故障排查。