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;
5. printk("Swansea University Computer Society NET3.019\n");
7. /*
8. * Initialize all address (protocol) families.
9. */
11. for (i = 0; i < NPROTO; ++i) pops[i] = NULL;
13. /*
14. * Initialize the protocols module.
15. */
17. proto_init();
19. #ifdef CONFIG_NET
20. /*
21. * Initialize the DEV module.
22. */
24. dev_init();
26. /*
27. * And the bottom half handler
28. */
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;
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;
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;
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,
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。