Linux內核--網絡棧實現分析

本文分析基於內核Linux Kernel 1.2.13

以後的系列博文將深入分析Linux內核的網絡棧實現原理，這裡看到曹桂平博士的分析後，也決定選擇Linux內核1.2.13版本進行分析。

原因如下：

1．功能和網絡棧層次已經非常清晰

2．該版本與其後續版本的銜接性較好

3．復雜度相對新的內核版本較小，復雜度低，更容易把握網絡內核的實質

4．該內核版本比較系統資料可以查詢

下面開始零基礎分析Linux內核網絡部分的初始化過程。

經過系統加電後執行的bootsect.S,setup.S,head.S，可以參考以前分析的0.11內核。原理相同。

1. Linux0.11內核--啟動引導代碼分析bootsect.s  http://www.linuxidc.com/Linux/2012-04/59202.htm
2. Linux0.11內核--啟動引導代碼分析setup.s  http://www.linuxidc.com/Linux/2012-04/59203.htm
3. Linux0.11內核--idt（中斷描述符表的初始化）head.s分析 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-04/59204.htm

進行前期的准備工作後，系統跳轉到init/main.c下的start_kernel函數執行。

網絡棧的層次結構如下圖：（注：該圖片摘自《Linux內核網絡棧源代碼情景分析》）

start_kernel函數經過平台初始化，內存初始化，陷阱初始化，中斷初始化，進程調度初始化，緩沖區初始化等，然後執行socket_init()，最後開中斷執行init()。

內核的網絡戰初始化函數socket_init()函數的實現在net/socket.c中

下面是該函數的實現

1. void sock_init(void)//網絡棧初始化   
2. {  
3.     int i;  
4.   
5.     printk("Swansea University Computer Society NET3.019\n");  
6.   
7.     /* 
8.      *  Initialize all address (protocol) families.  
9.      */  
10.        
11.     for (i = 0; i < NPROTO; ++i) pops[i] = NULL;  
12.   
13.     /* 
14.      *  Initialize the protocols module.  
15.      */  
16.   
17.     proto_init();  
18.   
19. #ifdef CONFIG_NET   
20.     /*  
21.      *  Initialize the DEV module.  
22.      */  
23.   
24.     dev_init();  
25.     
26.     /* 
27.      *  And the bottom half handler  
28.      */  
29.   
30.     bh_base[NET_BH].routine= net_bh;  
31.     enable_bh(NET_BH);  
32. #endif     
33. }  

其中的地址族協議初始化語句for (i = 0; i < NPROTO; ++i) pops[i] = NULL;

這裡文件中定義的NPROTO為16

#define NPROTO 16 /* should be enough for now.. */

而pop[i]是如何定義的呢？

static struct proto_ops *pops[NPROTO];

proto_ops結構體是什麼呢？該結構體的定義在include/linux/net.h中，該結構體是具體的操作函數集合，是聯系BSD套接字和INET套接字的接口，可以把BSD套接字看做是INET套接字的抽象，結構示意圖如下：

具體定義在net.h中

1. struct proto_ops {  
2.   int   family;  
3.   
4.   int   (*create)   (struct socket *sock, int protocol);  
5.   int   (*dup)      (struct socket *newsock, struct socket *oldsock);  
6.   int   (*release)  (struct socket *sock, struct socket *peer);  
7.   int   (*bind)     (struct socket *sock, struct sockaddr *umyaddr,  
8.              int sockaddr_len);  
9.   int   (*connect)  (struct socket *sock, struct sockaddr *uservaddr,  
10.              int sockaddr_len, int flags);  
11.   int   (*socketpair)   (struct socket *sock1, struct socket *sock2);  
12.   int   (*accept)   (struct socket *sock, struct socket *newsock,  
13.              int flags);  
14.   int   (*getname)  (struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,  
15.              int *usockaddr_len, int peer);  
16.   int   (*read)     (struct socket *sock, char *ubuf, int size,  
17.              int nonblock);  
18.   int   (*write)    (struct socket *sock, char *ubuf, int size,  
19.              int nonblock);  
20.   int   (*select)   (struct socket *sock, int sel_type,  
21.              select_table *wait);  
22.   int   (*ioctl)    (struct socket *sock, unsigned int cmd,  
23.              unsigned long arg);  
24.   int   (*listen)   (struct socket *sock, int len);  
25.   int   (*send)     (struct socket *sock, void *buff, int len, int nonblock,  
26.              unsigned flags);  
27.   int   (*recv)     (struct socket *sock, void *buff, int len, int nonblock,  
28.              unsigned flags);  
29.   int   (*sendto)   (struct socket *sock, void *buff, int len, int nonblock,  
30.              unsigned flags, struct sockaddr *, int addr_len);  
31.   int   (*recvfrom) (struct socket *sock, void *buff, int len, int nonblock,  
32.              unsigned flags, struct sockaddr *, int *addr_len);  
33.   int   (*shutdown) (struct socket *sock, int flags);  
34.   int   (*setsockopt)   (struct socket *sock, int level, int optname,  
35.              char *optval, int optlen);  
36.   int   (*getsockopt)   (struct socket *sock, int level, int optname,  
37.              char *optval, int *optlen);  
38.   int   (*fcntl)    (struct socket *sock, unsigned int cmd,  
39.              unsigned long arg);      
40. };  

可以看到，這裡實際上就是一系列操作的函數，有點類似於文件系統中的file_operations。通過參數傳遞socket完成操作。

接下來是proto_init()協議初始化。

1. void proto_init(void)  
2. {  
3.     extern struct net_proto protocols[];    /* Network protocols 全局變量，定義在protocols.c中 */  
4.     struct net_proto *pro;  
5.   
6.     /* Kick all configured protocols. */  
7.     pro = protocols;  
8.     while (pro->name != NULL)   
9.     {  
10.         (*pro->init_func)(pro);  
11.         pro++;  
12.     }  
13.     /* We're all done... */  
14. }  

全局的protocols定義如下：

1. struct net_proto protocols[] = {  
2. #ifdef  CONFIG_UNIX   
3.   { "UNIX", unix_proto_init },  
4. #endif   
5. #if defined(CONFIG_IPX)||defined(CONFIG_ATALK)     
6.   { "802.2",    p8022_proto_init },  
7.   { "SNAP", snap_proto_init },  
8. #endif   
9. #ifdef CONFIG_AX25     
10.   { "AX.25",    ax25_proto_init },  
11. #endif     
12. #ifdef  CONFIG_INET   
13.   { "INET", inet_proto_init },  
14. #endif   
15. #ifdef  CONFIG_IPX   
16.   { "IPX",  ipx_proto_init },  
17. #endif   
18. #ifdef CONFIG_ATALK   
19.   { "DDP",  atalk_proto_init },  
20. #endif   
21.   { NULL,   NULL        }  
22. };  

而結構體net_proto的定義net.h中為

1. struct net_proto {  
2.     char *name;     /* Protocol name */  
3.     void (*init_func)(struct net_proto *);  /* Bootstrap */  
4. };  

以後注重討論標准的INET域

讓我們回到proto_init()函數

接下來會執行inet_proto_init()函數，進行INET域協議的初始化。該函數的實現在net/inet/af_inet.c中

其中的

(void) sock_register(inet_proto_ops.family, &inet_proto_ops);

1. int sock_register(int family, struct proto_ops *ops)  
2. {  
3.     int i;  
4.   
5.     cli();//關中斷   
6.     for(i = 0; i < NPROTO; i++) //查找一個可用的空閒表項   
7.     {  
8.         if (pops[i] != NULL)   
9.             continue;//如果不空，則跳過   
10.         pops[i] = ops;//進行賦值   
11.         pops[i]->family = family;  
12.         sti();//開中斷   
13.         return(i);//返回用於剛剛注冊的協議向量號   
14.     }  
15.     sti();//出現異常，也要開中斷   
16.     return(-ENOMEM);  
17. }  

參數中的inet_proto_ops定義如下：

1. static struct proto_ops inet_proto_ops = {  
2.     AF_INET,  
3.   
4.     inet_create,  
5.     inet_dup,  
6.     inet_release,  
7.     inet_bind,  
8.     inet_connect,  
9.     inet_socketpair,  
10.     inet_accept,  
11.     inet_getname,   
12.     inet_read,  
13.     inet_write,  
14.     inet_select,  
15.     inet_ioctl,  
16.     inet_listen,  
17.     inet_send,  
18.     inet_recv,  
19.     inet_sendto,  
20.     inet_recvfrom,  
21.     inet_shutdown,  
22.     inet_setsockopt,  
23.     inet_getsockopt,  
24.     inet_fcntl,  
25. };  

其中AF_INET宏定義為2，即INET協議族號為2，後面是函數指針，INET域的操作函數。

然後

1. printk("IP Protocols: ");  
2. for(p = inet_protocol_base; p != NULL;) //將inet_protocol_base指向的一個inet_protocol結構體加入數組inet_protos中   
3. {  
4.     struct inet_protocol *tmp = (struct inet_protocol *) p->next;  
5.     inet_add_protocol(p);  
6.     printk("%s%s",p->name,tmp?", ":"\n");  
7.     p = tmp;  
8. }  
9. /* 
10.  *  Set the ARP module up 
11.  */  
12. arp_init();//對地址解析層進行初始化   
13.     /* 
14.      *  Set the IP module up 
15.      */  
16. ip_init();//對IP層進行初始化  

協議初始化完成後再執行dev_init()設備的初始化。

這是大體的一個初始化流程，討論的不是很詳細，後續會進行Linux內核網絡棧源代碼的詳細分析。