如何深入理解TCP/IP协议的socket实现

socket大家都知道是用于网络通信的，也知道他是ip和端口的组合。但是很多同学可能不是很清楚socket的原理和实现。下面我们深入理解一下socket到底是什么。
我们回忆一下socket编程的步骤，不管是客户端还是服务端，第一个调的函数都是socket。我们就从这个函数的实现开始，看看一个socket到底是什么。

// 新建一个socket结构体，并且创建一个下层的sock结构体，互相关联
static int sock_socket(int family, int type, int protocol)
{
    int i, fd;
    struct socket *sock;
    struct proto_ops *ops;

    // 找到对应的协议族，比如unix域、ipv4
    for (i = 0; i < NPROTO; ++i) 
    {   // 从props数组中找到family协议对应的操作函数集，props由系统初始化时sock_register进行操作
        if (pops[i] == NULL) continue;
        if (pops[i]->family == family) 
            break;
    }

    if (i == NPROTO) 
    {
          return -EINVAL;
    }
    // 函数集
    ops = pops[i];

    // 检查一下类型
    if ((type != SOCK_STREAM && type != SOCK_DGRAM &&
        type != SOCK_SEQPACKET && type != SOCK_RAW &&
        type != SOCK_PACKET) || protocol < 0)
            return(-EINVAL);

    // 分配一个新的socket结构体
    if (!(sock = sock_alloc())) 
    {
        ...
    }
    // 设置类型和操作函数集
    sock->type = type;
    sock->ops = ops;
    if ((i = sock->ops->create(sock, protocol)) < 0) 
    {
        sock_release(sock);
        return(i);
    }
    // 返回一个新的文件描述符
    if ((fd = get_fd(SOCK_INODE(sock))) < 0) 
    {
        sock_release(sock);
        return(-EINVAL);
    }

    return(fd);
}

我们从上到下，逐步分析这个过程。
1 根据传的协议类型，找到对应的函数集，因为不同的协议族他的底层操作是不一样的。
2 分配一个socket结构体。定义如下。我们大概了解一下字段就行。

struct socket {
  short            type;       /* SOCK_STREAM, ...     */
  socket_state        state;
  long            flags;
  struct proto_ops    *ops;   
  // 这个字段要记一下    
  void            *data;      
  struct socket        *conn;      
  struct socket        *iconn;     
  struct socket        *next;
  struct wait_queue    **wait;     
  struct inode        *inode;
  struct fasync_struct  *fasync_list;    
};

struct socket *sock_alloc(void)
{
    struct inode * inode;
    struct socket * sock;
    // 获取一个可用的inode节点
    inode = get_empty_inode();
    if (!inode)
        return NULL;
    // 初始化某些字段
    inode->i_mode = S_IFSOCK;
    inode->i_sock = 1;// socket文件
    inode->i_uid = current->uid;
    inode->i_gid = current->gid;
    // 指向inode的socket结构体，初始化inode结构体的socket结构体
    sock = &inode->u.socket_i;
    sock->state = SS_UNCONNECTED;
    sock->flags = 0;
    sock->ops = NULL;
    sock->data = NULL;
    sock->conn = NULL;
    sock->iconn = NULL;
    sock->next = NULL;
    sock->wait = &inode->i_wait;
    // 互相引用
    sock->inode = inode;        /* "backlink": we could use pointer arithmetic instead */
    sock->fasync_list = NULL;
    // socket数加一
    sockets_in_use++;
    // 返回新的socket结构体，他挂载在inode中
    return sock;
}

sock_alloc首先分配了一个inode，inode节点里有一个socket结构体，然后初始化socket结构体的一些字段，并把他的地址返回。

3 这时候我们拿到一个socket结构体。接着调create函数（省略了部分代码）。

// 创建一个sock结构体，和socket结构体互相关联
static int inet_create(struct socket *sock, int protocol)
{
    struct sock *sk;
    struct proto *prot;
    int err;
    // 分配一个sock结构体
    sk = (struct sock *) kmalloc(sizeof(*sk), GFP_KERNEL);
    switch(sock->type) 
    {
        case SOCK_STREAM:
            protocol = IPPROTO_TCP;
            // 函数集
            prot = &tcp_prot;
            break;

        case SOCK_DGRAM:
            protocol = IPPROTO_UDP;
            prot=&udp_prot;
            break;

    }
    // sock结构体的socket字段指向上层的socket结构体
    sk->socket = sock;
    // 省略一堆对sock结构体的初始化代码
}

我们发现创建一个socket的时候，申请了一个socket结构体，同时也申请了一个sock结构体。为什么需要两个结构体，并且这两个结构体关联在一起呢？这要说到网络协议的复杂性，而这个设计就是linux对这个复杂性的解决方案。我们回头看看socket函数的参数。

socket(int family, int type, int protocol)

family是协议簇，比如unix域、ipv4、ipv6，type是在第一个参数的基础上的子分类。比如ipv4下有tcp、udp、raw、packet。protocol对tcp、udp没用，对raw、packet的话是标记上层协议类型。这好比一棵树一样，从根节点开始，有很多分支。socket结构体是整个网络协议实现的最上层结构，是第一层抽象。根据协议簇的不同，有不同的实现函数，在同一协议簇下，也有不同的子分类，比如ipv4下有tcp、udp等。不同子类具体的逻辑也不一样。即数据结构和算法都不一样。所以socket结构体有一个data字段，他是自定义的，对于ipv4的实现，他是指向一个sock结构体，对于unix域的实现，unix_proto_data结构体。这就解决了不同协议簇（family）不同实现的问题。那对于同一协议簇下的不同子类型，又如何实现呢？比如ipv4下的tcp、udp。linux给出的方案是在sock结构体中定义一个字段，根据子类型type的值，指向不同的底层协议函数集。