UDP模塊 - socket

內核版本：2.6.34
這部分內容在於說明socket創建後如何被內核協議棧訪問到，只關注兩個問題：sock何時插入內核表的，sock如何被內核訪問的。對於核心的sock的插入、查找函數都給出了流程圖。

sock如何插入內核表
socket創建後就可以用來與外部網絡通信，用戶可以通過文件描述符fd來找到要操作的socket，內核則通過查表來找到要操作的socket。這意味着socket創建時會在文件系統中生成相應項，同時還會插入到存儲socket的表中，方便用戶和內核通過兩種方式進行訪問。
以創建如下udp socket爲例，這裏的創建僅僅指定socket的協議簇是AF_INET，類型是SOCK_DGRAM，協議是0，此時創建了socket，相應文件描述符，但仍缺少其它信息，此時socket並未插入到內核表中，還是處於遊離態，除了用戶通過fd操作，內核是看不到的socket的。

fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

根據作爲的角色(服務器或客戶端)不同，接下來執行的動作也不相同。這兩句分條時服務器和客戶端與外部通信的第一句，執行後，與外部連接建立，socket的插入內核表也是由這兩句觸發的。
服務器端udp socket

bind(fd, &serveraddr, sizeof(serveraddr));

客戶端udp socket

sendto(fd, buff, len, 0, &serveraddr, sizeof(serveraddr));

下面來看下創建socket的具體動作，只涉及與socket存儲相關的代碼，這些系統調用的其它方面以後再具體分析。
sys_socket()　創建socket，映射文件描述符fd


retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));

      在內核中，有struct socket，也就是通常所說的socket，表示網絡的接口，還有struct sock，則是AF_INET域的接口。一般struct socket成員叫sock，struct sock成員叫sk，在代碼中不要混淆。
      sock_create() -- > __sock_create()　
      最終執行__sock_create()來創建，注意__sock_create()最後一個參數是0，表示是由用戶創建的；如果是1，則表示是由內核創建的。
      分配socket並設置sock->type爲SOCK_DGRAM。


sock = sock_alloc();
sock->type = type;

從net_families中取得AF_INET(也即PF_INET)協議族的參數，net_families數組存儲不同協議族的參數，像AF_INET協議族是在加載IP模塊時註冊的，inet_init() -> sock_register(&inet_family_ops)，sock_register()就是將參數加入到net_families數組中，inet_family_ops定義如下：


pf = rcu_dereference(net_families[family]);
static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
 .family = PF_INET,
 .create = inet_create,
 .owner = THIS_MODULE,
};

最後調用相應協議簇的創建方法，這裏的pf->create()就是inet_create()，它創建INET域的結構sock。

err = pf->create(net, sock, protocol, kern);

從__sock_create()代碼看到創建包含兩步：sock_alloc()和pf->create()。sock_alloc()分配了sock內存空間並初始化inode；pf->create()初始化了sk。

sock_alloc()
分配空間，通過new_inode()分配了節點(包括socket)，然後通過SOCKET_I宏獲得sock，實際上inode和sock是在new_inode()中一起分配的，結構體叫作sock_alloc。


inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);
sock = SOCKET_I(inode);

設置inode的參數，並返回sock。


inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;
inode->i_uid = current_fsuid();
inode->i_gid = current_fsgid();
return sock;

繼續往下看具體的創建過程：new_inode()，在分配後，會設置i_ino和i_state的值。


struct inode *new_inode(struct super_block *sb)
{
 ……
 inode = alloc_inode(sb);
 if (inode) {
  spin_lock(&inode_lock);
  __inode_add_to_lists(sb, NULL, inode);
  inode->i_ino = ++last_ino;
  inode->i_state = 0;
  spin_unlock(&inode_lock);
 }
 return inode;
}

其中的alloc_inode() -> sb->s_op->alloc_inode()，sb是sock_mnt->mnt_sb，所以alloc_inode()指向的是sockfs的操作函數sock_alloc_inode。


static const struct super_operations sockfs_ops = {
 .alloc_inode = sock_alloc_inode,
 .destroy_inode =sock_destroy_inode,
 .statfs = simple_statfs,
};

sock_alloc_inode()中通過kmem_cache_alloc()分配了struct socket_alloc結構體大小的空間，而struct socket_alloc結構體定義如下，但只返回了inode，實際上socket和inode都已經分配了空間，在之後就可以通過container_of取到socket。


static struct inode *sock_alloc_inode(struct super_block *sb)
{
 struct socket_alloc *ei;
 ei = kmem_cache_alloc(sock_inode_cachep, GFP_KERNEL);
 …..
 return &ei->vfs_inode;
}
struct socket_alloc {
 struct socket socket;
 struct inode vfs_inode;
};

inet_create()
從inetsw中根據類型、協議查找相應的socket interface。


list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list) {
 ……
 if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
  break;
 ……
}

inetsw是在inet_init()時被註冊的，有三種：tcp, udp, raw，由於我們創建的是udp socket，所以查到的是第二項，udp_prot。


static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
 {
  .type =       SOCK_STREAM,
  .protocol =   IPPROTO_TCP,
  .prot =       &tcp_prot,
  .ops =        &inet_stream_ops,
  .no_check =   0,
  .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
         INET_PROTOSW_ICSK,
 },
 
 {
  .type =       SOCK_DGRAM,
  .protocol =   IPPROTO_UDP,
  .prot =       &udp_prot,
  .ops =        &inet_dgram_ops,
  .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
  .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },
 
 
       {
        .type =       SOCK_RAW,
        .protocol =   IPPROTO_IP, /* wild card */
        .prot =       &raw_prot,
        .ops =        &inet_sockraw_ops,
        .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
        .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

sock->ops指向inet_dgram_ops，然後創建sk，sk->proto指向udp_prot，注意這裏分配的大小是struct udp_sock，而不僅僅是struct sock大小。


sock->ops = answer->ops;
……
sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot);

然後設置inet的一些參數，這裏直接將sk類型轉換爲inet，因爲在sk_alloc()中分配的是struct udp_sock結構大小，返回的是struct sock，利用了第一個成員的特性，三者之間的關係如下圖：


inet = inet_sk(sk);
…..
inet->inet_id = 0;

此時sock和sk都已經分配了空間，再設置sock與sk關係，即sock->sk=sk，並做一些初始化操作，如sk的隊列初始化。初後調用sk_prot->init()，inet_dgram_ops->init()爲NULL，這裏沒做任何事情。


sock_init_data(sock, sk);
if (sk->sk_prot->init) {
 err = sk->sk_prot->init(sk);
 if (err)
  sk_common_release(sk);
}

當創建的是一個SOCK_RAW類型的socket時，還會額外執行下列語句。當協議值賦給inet->inet_num與inet->inet_sport，然後sk->sk_prot->hash(sk)將sk插入到內核的sock表中，使用的索引值是協議號。這個可以這樣理解，如果創建的是UDP或TCP的socket，它們是標準的套接字，用[sip, sport, tip, tport]這樣的四元組來查找，socket()時還缺少這些信息，還不能插入到內核的sock表中。但如果創建的是RAW的socket，它只屬於某一特定協議，查找它使用的應是協議號而不是套接字的四元組，因此，socket()時就通過hash()插入到內核sock表中。


if (SOCK_RAW == sock->type) {
 inet->inet_num = protocol;
 if (IPPROTO_RAW == protocol)
  inet->hdrincl = 1;
}
if (inet->inet_num) {
 inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);
 sk->sk_prot->hash(sk);
}

      那麼sock是在什麼時候插入到內核表中的，答案是sk->sk_prot->get_port()函數，對於UDP來講，它指向udp_v4_get_port()函數，根據服務器和客戶端的行爲不同，bind()和sendto()都會調用到get_port()，也就是說，在bind()或sendto()調用時，sock才被插入到內核表中。
bind()　綁定地址
      sys_bind() -> sock->ops->bind() -> inet_bind() -> sk->sk_prot->get_port()
      sk->sk_prot是udp_prot，這裏實際調用udp_v4_get_port()函數。

sendto()　發送到指定地址
sys_sendto() -> sock_sendmsg() -> __sock_sendmsg()() -> sock->ops->sendmsg()
由於創建的是udp socket，因此sock->ops指向inet_dgram_ops，sendmsg()實際調用inet_sendmsg()函數。該函數中的有如下語句：


if (!inet_sk(sk)->inet_num && inet_autobind(sk))
 return -EAGAIN;

客戶端在執行sendto()前僅僅執行了socket()操作，此時inet_num=0，因此執行了inet_autobind()，該函數會調用sk->sk_prot->get_port()。從而回到了udp_v4_get_port()函數，它會將sk插入到內核表udp_table中。

下面重點看下插入sk的函數udp_v4_get_port()：
udp_v4_get_port() 插入sk到內核表udptable中
哈希值hash2_nulladdr由[INADDR_ANY, snum]得到，hash2_partial由[inet_rcv_saddr, 0]得到，即前者用本地端口作哈希，後者用本地地址作哈希。udp_portaddr_hash存儲後者的值hash2_partial，便於計算最後的哈希值。


unsigned int hash2_nulladdr = udp4_portaddr_hash(sock_net(sk), INADDR_ANY, snum);
unsigned int hash2_partial = udp4_portaddr_hash(sock_net(sk), inet_sk(sk)->inet_rcv_saddr, 0);
udp_sk(sk)->udp_portaddr_hash = hash2_partial;

最後調用udp_lib_get_port()，ipv4_rcv_saddr_equal()是比較地址是否相等的函數，snum是本地端口，hash2_nulladdr是由它得到的哈殺值，sk是要插入的表項。

return udp_lib_get_port(sk, snum, ipv4_rcv_saddr_equal, hash2_nulladdr);

udp_lib_get_port()
取得內核存放sock的表，對於udp socket來說，就是udp_table，它在udp_prot中被定義。在udp_table的創建過程中已經看到，udp_table有兩個hash表：hash和hash2，兩者大小相同，只是前者用snum作哈希值，後者用saddr, snum作哈希值。使用兩個hash表的目的在於加速查找，先用snum在hash中查找，再用saddr, snum在hash2中查找，最後根據效率決定在hash或hash2中查找。

struct udp_table *udptable = sk->sk_prot->h.udp_table;

根據snum的不同會執行不同的操作，snum爲0則先選擇一個可用端口號，再插入；snum不爲0則先確定之前沒有存儲相應sk，再插入。


if (!snum) {
 snum==0代碼段
} else {
 snum!=0代碼段
}

如果snum!=0，此時執行else部分代碼。hslot是從udp_table中hash表取出的表項，鍵值是snum。

hslot = udp_hashslot(udptable, net, snum);

如果hslot->count大於10，即在hash表中以snum爲鍵值的項的數目在於10，此時改用在hash2表中查找。如果hslot->count不足10，那麼直接在hash表中查找就可以了。這樣劃分是出於效率的考慮。
先看數目大於10的情況，hslot2是udptable中hash2表取出的表項，鍵值是[inet_rcv_addr, snum]，如果hslot2項的數目比hslot還多，那麼查找hash2表是不划算的，返回直接查找hash表。如果hslot2更少(這也是設計hash2的目的)，使用udp_lib_lport_inuse2()查找是否有匹配項；如果沒有找到，則使用新的鍵值hash2_nulladdr，即[INADDR_ANY, snum]從hash2中取出表項，再使用udp_lib_lport_inuse2()查找是否有匹配項。如果有，表明要插入的sk已經存在於內核表中，直接返回；如果沒有，則執行sk的插入操作。scan_primary_hash代碼段是在hash表的hslot項中查找，只有當在hash2中查找更費時時纔會執行。


if (hslot->count > 10) {
 int exist;
 unsigned int slot2 = udp_sk(sk)->udp_portaddr_hash ^ snum;
 
 slot2          &= udptable->mask;
 hash2_nulladdr &= udptable->mask;
 
 hslot2 = udp_hashslot2(udptable, slot2);
 if (hslot->count < hslot2->count)
  goto scan_primary_hash;
 
 exist = udp_lib_lport_inuse2(net, snum, hslot2, sk, saddr_comp);
 if (!exist && (hash2_nulladdr != slot2)) {
  hslot2 = udp_hashslot2(udptable, hash2_nulladdr);
  exist = udp_lib_lport_inuse2(net, snum, hslot2,
     sk, saddr_comp);
 }
 if (exist)
  goto fail_unlock;
 else
  goto found;
}
scan_primary_hash:
 if (udp_lib_lport_inuse(net, snum, hslot, NULL, sk,
  saddr_comp, 0))
  goto fail_unlock;
}

流程圖：

如果snum==0，即沒有綁定本地端口，此時執行if部分代碼段，這種情況一般發生在客戶端使用socket，此時內核會爲它選擇一個未使用的端口，下面來看下內核選擇臨時端口的策略。
在說明下列參數含義前要先弄清楚udptable中hash公式：(num + net_hash_mix(net)) & mask，net_hash_mix(net)返回一般爲0，hash公式可簡寫爲num&mask。即本地端口對udptable大小取模。因此表項是循環、均勻地分佈在hash表中的。假設udptable大小爲8，現插入16個表項，結果會如下圖：

聲明bitmap數組，大小爲udp_table每個鍵值最多存儲的表項，即最大端口號/哈希表大小。端口號的值規定範圍是1-65536，而哈希表一般大小是256，因此實際分配bitmap[8]。low和high代表可用本地端口的下限和上限；remaining代表位於low和high間的端口號數目。用隨機值rand生成first，注意它是unsigned short類型，16位，表示起始查找位置；last表示終止查找位置，first和last相差表大小保證了所有鍵值都會被查詢一次。隨機值rand最後處理成哈希表大小的奇數倍，之所以要是奇數倍，是爲了保證哈希到同一個鍵值的所有端口號都能被遍歷，可以試着1開始，每次+2和每次+3，直到回到1，所遍歷的數有哪些不同，就會明白rand處理的意義。


DECLARE_BITMAP(bitmap, PORTS_PER_CHAIN);
inet_get_local_port_range(&low, &high);
remaining = (high - low) + 1;
rand = net_random();
first = (((u64)rand * remaining) >> 32) + low;
rand = (rand | 1) * (udptable->mask + 1);
last = first + udptable->mask + 1;

使用first值作爲端口號，從udptable的hash表中找到hslot項，重置bitmap數組全0，調用函數udp_lib_lport_inuse()遍歷hslot項的所有表項，將所有已經使用的sport對應於bitmap的位置置1。


do {
 hslot = udp_hashslot(udptable, net, first);
 bitmap_zero(bitmap, PORTS_PER_CHAIN);
 spin_lock_bh(&hslot->lock);
 udp_lib_lport_inuse(net, snum, hslot, bitmap, sk,
  addr_comp, udptable->log);

此時bitmap中包含了所有哈希到hslot的端口的使用情況，下面要做的就是從first位置開始，每次遞增rand(保證哈希值不變)，查找符合條件的端口：端口在low~high的可用範圍內；端口還沒有被佔用。do{}while循環的判斷條件snum!=first和snum+=rand一起保證了所有哈希到hslot的端口號都會被遍歷到。如果找到了可用端口號，即跳出，執行插入sk的操作，否則++first，查找下一個鍵值，直到fisrt==last，表明所有鍵值都已輪循一遍，仍沒有結果，則退出，sk插入失敗。


 snum = first;
 do {
  if (low <= snum && snum <= high &&
   !test_bit(snum >> udptable->log, bitmap))
   goto found;
  snum += rand;
 } while (snum != first);
 spin_unlock_bh(&hslot->lock);
} while (++first != last);
goto fail;

流程圖：

當沒有在當前內核udp_table中找到匹配項時，執行插入新sk的操作。首先給sk參數賦值：inet_num, udp_port_hash, udp_portaddr_hash。然後將sk加入到hash表和hash2表中，並增加相應計數。


found:
 inet_sk(sk)->inet_num = snum;
 udp_sk(sk)->udp_port_hash = snum;
 udp_sk(sk)->udp_portaddr_hash ^= snum;
 if (sk_unhashed(sk)) {
  sk_nulls_add_node_rcu(sk, &hslot->head);
  hslot->count++;
  sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->sk_prot, 1);
 
  hslot2 = udp_hashslot2(udptable, udp_sk(sk)->udp_portaddr_hash);
  spin_lock(&hslot2->lock);
  hlist_nulls_add_head_rcu(&udp_sk(sk)->udp_portaddr_node,
      &hslot2->head);
  hslot2->count++;
  spin_unlock(&hslot2->lock);
 }

sock如何被內核訪問
      創建的udp socket成功後，當使用該socket與外部通信時，協議棧會收到發往該socket的udp報文。
      udp_rcv() -> __udp4_lib_rcv() -> __udp4_lib_lookup()
      在該函數中有關於udp socket的查找代碼段，它以[saddr, sport, daddr, dport, iif]爲鍵值在udptable中查找相應的sk。


return __udp4_lib_lookup(dev_net(skb_dst(skb)->dev), iph->saddr, sport,
      iph->daddr, dport, inet_iif(skb), udptable);

__udp4_lib_lookup() sock在udptable中查找
查找的過程與插入sock的過程很相似，先以hnum作哈希得到hslot，daddr, hnum作哈希得到hslot2，如果hslot數目不足10或hslot的表項數少於hslot2的，則在hslot中查找(begin代碼段)。否則，在hslot2中查找。查找時使用udp4_lib_lookup2()函數，它返回與收到報文相匹配的sock。


if (hslot->count > 10) {
 hash2 = udp4_portaddr_hash(net, daddr, hnum);
 slot2 = hash2 & udptable->mask;
 hslot2 = &udptable->hash2[slot2];
 if (hslot->count < hslot2->count)
  goto begin;
 
 result = udp4_lib_lookup2(net, saddr, sport,
    daddr, hnum, dif, hslot2, slot2);

如果在hslot2中沒有查找結果，則用INADDR_ANY, hnum作哈希得到重新得到hslot2，因爲服務器端的udp socket只綁定了本地端口，沒有綁定本地地址，所以查找時需要先使用[saddr, sport]查找，沒有時再使用[INADDR_ANY, sport]查找。如果hslot2->count比hslot->count要多，或者在hslot2中沒有查找到，則在hslot中查找(begin代碼段)。


if (!result) {
  hash2 = udp4_portaddr_hash(net, INADDR_ANY, hnum);
  slot2 = hash2 & udptable->mask;
  hslot2 = &udptable->hash2[slot2];
  if (hslot->count < hslot2->count)
   goto begin;
 
  result = udp4_lib_lookup2(net, saddr, sport,
     INADDR_ANY, hnum, dif, hslot2, slot2);
 }

只有當不必或不能在hslot2中查找時，纔會執行下面的查找，它在hslot中查找，遍歷每一項，使用comute_score()計算匹配值。最後返回查找的結果。


begin:
 result = NULL;
 badness = -1;
 sk_nulls_for_each_rcu(sk, node, &hslot->head) {
  score = compute_score(sk, net, saddr, hnum, sport,
          daddr, dport, dif);
  if (score > badness) {
   result = sk;
   badness = score;
  }
 }

流程圖：

#對比udp socket的插入和查找的流程圖，可以發現兩者是有差別的，在使用INADDR_ANY作爲本地地址重新計算hslot2後，前者並沒有比較hslot2->count與hslot->count。雖然不礙查找結果，但個人認爲，插入的流程是少了hslot2->count與hslot->count比較。

udp4_lib_lookup2()
遍歷hslot2的鏈表項，compute_score2計算與[saddr, sport, daddr, dport, dif]相匹配的表項，返回score作爲匹配值，匹配值發越大表明匹配度越高。score==SCORE2_MAX表示與傳入參數完全匹配，找到匹配項，goto exact_match；score==-1表示與傳入參數完全不匹配；score==中間值表示部分匹配，如果沒有更高的匹配項存在，則使用該項。


udp_portaddr_for_each_entry_rcu(sk, node, &hslot2->head) {
 score = compute_score2(sk, net, saddr, sport, daddr, hnum, dif);
 if (score > badness) {
  result = sk;
  badness = score;
  if (score == SCORE2_MAX)
   goto exact_match;
 }
}

其中compute_score2()用來計算匹配度，並用返回值作爲匹配度，以通常的udp socket爲例，只用到了本地地址、本地端口(如果是作爲服務器，則本地地址也省略了)。因此compute_score2()要求本地地址和本地端口完全匹配，共餘參數只要求當插入的socket有值時才進行匹配。

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