【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的一套函數(shù)集合 [19]。所謂棧，即一層層的結(jié)構(gòu)，這僅僅是軟件上的一種 說(shuō)法。我們不好從字面上對(duì)網(wǎng)絡(luò)棧作出解釋?zhuān)蓮钠鋵?shí)現(xiàn)的功能上進(jìn)行 解釋?zhuān)壕W(wǎng)絡(luò)棧按照預(yù)先設(shè)置的一套規(guī)則對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的目的。從定義上看，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是由一套網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)成， 而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本質(zhì)上就是規(guī)則：為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上兩臺(tái)獨(dú)立主機(jī)之間交換信息，必須遵循一套數(shù)據(jù)封裝格式，這是網(wǎng)絡(luò)逐漸進(jìn)入應(yīng)用后的必要步驟。 對(duì)于規(guī)則的設(shè)置，我們可以“一步到位”，直接給出數(shù)據(jù)幀的封裝格式，每個(gè)發(fā)送主機(jī)在將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上之前，首先必須將數(shù)據(jù)封裝成規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式，這樣接收端接收到數(shù)據(jù)后，按照預(yù)先規(guī)定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋?zhuān)瑥亩瓿蓴?shù)據(jù)的接收。但是這種一步到位的封裝格式也給后期擴(kuò)張帶來(lái)了極大的困難，如果有一種新的更有效的封裝格式，則為了支持這種新的封裝格式，網(wǎng)絡(luò)上所有的主機(jī)必須重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。 為 了支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，以及傳輸數(shù)據(jù)之外的服務(wù)（如 QoS 服務(wù)），數(shù)據(jù)的封裝格式必須是可擴(kuò)展的，可動(dòng)態(tài)支持新的規(guī)則的加入。所以協(xié)議棧規(guī)則的設(shè)計(jì)在起初就設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)在每層上都進(jìn)行本層的封裝，之后傳遞給下一層。這種分層設(shè)計(jì)方式首先對(duì)在不同層次上加入新的服務(wù)提供了可擴(kuò)展性，其次使得數(shù)據(jù)封裝格式的設(shè)計(jì)具有了很大的靈活性：我們可以獨(dú)立于其他層專(zhuān)門(mén)對(duì)某個(gè)層次技能型規(guī)則的創(chuàng)建（也就是我們通常所說(shuō)的協(xié)議），這種分層獨(dú)立設(shè)計(jì)規(guī)則的方式也為后期加入新的規(guī)則提供了方便。 按照這種分層設(shè)計(jì)思想，早期的協(xié)議棧被分為 4 層，從上到下依次 命名為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層，而且在每個(gè)層次都定義了數(shù)據(jù)的封裝方式（應(yīng)用層的封裝格式完全由用戶定制）。單從協(xié)議棧定義來(lái)看，各層之間除了預(yù)先定義好的一些接口函數(shù)進(jìn)行交互外，應(yīng)不存在其他的耦合關(guān)系，但基本上所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧都無(wú)法實(shí)現(xiàn)做到這一點(diǎn)，各層之間或多或少的具有某種緊密的關(guān)聯(lián)，但從總體上看來(lái)，實(shí)現(xiàn)大多都遵循著協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)。這就是協(xié)議棧的本質(zhì)特點(diǎn)及其分層架構(gòu)。 在 TILExpress64 開(kāi)發(fā)板平臺(tái)下，我們不需要支持完整的 TCP/IP 協(xié)議族，因此我們并沒(méi)有完全按照四層的網(wǎng)絡(luò)棧分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而 是根據(jù)不同的情況 ，選擇某幾層進(jìn)行合并，并沒(méi)有全部體現(xiàn)出完整的四層結(jié)構(gòu)。根據(jù) TILE64 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要，我們編寫(xiě)了 14 個(gè)套接字接口函數(shù)： socket、 close、 bind、setsockopt、 getsockopt、 ioctl、 ftl、 select、 connect、 send、 sendto、 recv、 recvfrom、 gethostbyname。 打開(kāi)和關(guān)閉套接字 —— socket、 close 函數(shù) socket 函數(shù) （ 1）函數(shù)原型 int socket ( int domain , int type , int protocol ) 在網(wǎng)絡(luò)通信中，為了區(qū)分在同一臺(tái)主機(jī)上的不同應(yīng)用程序和連接，我們提供了套接字的接口。套接字是支持 TCP/IP 通信的基本操作單元，可以看做是不同主機(jī)之間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端面點(diǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通信雙方的一種約定，用套接字中的相關(guān)函數(shù)來(lái)完成通信過(guò)程。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信前，我們都需要先打開(kāi)一個(gè)套接字，這時(shí)候就需要通過(guò)調(diào)用 socket 函數(shù)來(lái)創(chuàng)建。 在函數(shù)參數(shù)中， domain是地址族，指定使用哪一種地址類(lèi)型，我們支持 2種類(lèi)型的地址族： AF_INET（ IPv4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）和 AF_PACKET（初級(jí)包接口） 。type 是套接字類(lèi)型，我們支持 3 種類(lèi)型的套接字類(lèi)型： SOCK_RAW（原始套接字）、 SOCK_STREAM（流套接字）和 SOCK_DGRAM（數(shù)據(jù)報(bào)套接字）；protocol 是協(xié)議類(lèi)型，一般來(lái)說(shuō)通過(guò)前面 2 個(gè)參數(shù)就可以確定協(xié)議類(lèi)型，故改參數(shù)可以設(shè)置為 0，但是在一些特殊情況下，協(xié)議類(lèi)型不止一種的時(shí)候，可以指定通信所使用的協(xié)議編號(hào)。 （ 2） 套接字表 socket 函數(shù)為套接字分配一塊存儲(chǔ)空間，下面是套接字結(jié)構(gòu)體的定義，用來(lái)存儲(chǔ)套接字的所有信息。 struct GK_socket //套接字表 { 8 int domain。 //協(xié)議族 int type。 //套接字類(lèi)型 int protocol。 //協(xié)議類(lèi)型 short err。 //錯(cuò)誤信息 unsigned int seq。 //序列號(hào) unsigned int ack。 //確認(rèn)號(hào) unsigned long IPaddr。 //IP 地址 unsigned char MACaddr[ETH_ADDR_LEN]。 //MAC 地址 unsigned long Netmask。 //子網(wǎng)掩碼 unsigned long gateIP。 //網(wǎng)關(guān) IP char name[IFNAMSIZ]。 //別名 unsigned short port。 //端口號(hào) unsigned char ip_ttl。 //生存時(shí)間 socket_state state。 //socket 狀態(tài) unsigned char tcp_state。 //TCP 狀 態(tài) int block_flag。 //阻塞狀態(tài)標(biāo)記 int broadcast_flag。 //是否允許發(fā)送廣播包 struct linger lg。 //是否延遲關(guān)閉 struct GK_sk_filter *filter。 //過(guò)濾規(guī)則 unsigned long dstIP。 //目的 IP 地址 unsigned char dstMAC[ETH_ADDR_LEN]。 //目地 MAC 地址 unsigned short dstport。 //目地端口 struct GK_queue queue。 //數(shù)據(jù)緩沖區(qū) }。 我們定義了一個(gè)類(lèi)型為 GK_socket 的結(jié)構(gòu)體指針數(shù)組 socketTable—— 套接字表，大小是 256，這也是 linux 內(nèi)核中所允許的最大套接字?jǐn)?shù)目。初始的時(shí)候， socketTable 的元素都指向 NULL， socket函數(shù)從下標(biāo) 0 開(kāi)始依次遍歷整個(gè)數(shù)組，直到找到第一個(gè)指向 NULL 的元素，并為該元素申請(qǐng)空間，記錄傳入的三個(gè)參數(shù)：地址族、套接字類(lèi)型和協(xié)議類(lèi)型，如果協(xié)議類(lèi)型的值為 0，就根據(jù)地址族和套接字類(lèi)型 為其找到匹配的協(xié)議，如 AF_INET 和 SOCK_STREAM 套接字類(lèi)型，就可以決定協(xié)議類(lèi)型是IPPROTO_TCP（ TCP 協(xié)議）， AF_INET 和 SOCK_DGRAM 套接字類(lèi)型，就可以決定協(xié)議類(lèi)型是IPPROTO_UDP（ UDP 協(xié)議）等等。 這里下標(biāo)從 0 開(kāi)始遍歷，保證了我們分配的套接字下標(biāo)總是最小未使用 [17]。在 linux 的協(xié)議棧中，也是按照如此的方式進(jìn)行處理。事實(shí)上，為了提高效率和安全考慮，我們創(chuàng)建套接字后并不是返回套接字表項(xiàng)的地址，而是返回該表項(xiàng)對(duì)應(yīng)的數(shù)組下標(biāo)值，套接字表只能允許協(xié)議棧函數(shù)對(duì)其進(jìn)行處 理和訪問(wèn)，其他任何函數(shù)都沒(méi)有權(quán)限對(duì)其訪問(wèn)。因此，變量 socketTable 是一個(gè)靜態(tài)的全局變量，僅能在本協(xié)議棧代碼中使用它，后面所有提到的全局變量，如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，也都是靜態(tài)的。 （ 3）隱式綁定和顯示綁定 我們知道，要想進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，首先要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)連接，然后才能通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行傳送和接收數(shù)據(jù)。因此，在創(chuàng)建套接字的時(shí)候，我們也要為其指定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。有兩種方法可以指定：一是顯示的調(diào)用 bind 函數(shù)，為套接字綁定一個(gè)地址，這在后面介紹 bind 函數(shù)時(shí)，我們?cè)僭敿?xì)解釋?zhuān)欢怯蓞f(xié)議棧隱式的綁定一個(gè)地址 ，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，如果沒(méi)有顯示的綁定接口地址，協(xié)議棧將會(huì)根據(jù)本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口情況，自動(dòng)給套接字綁定一個(gè)地址。因此，為了方便起見(jiàn)，我們?cè)趧?chuàng)建套接字后，就立即為其綁定一個(gè)默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)接口，并隨機(jī)為其分配一個(gè)端口號(hào)。 （ 4）網(wǎng)絡(luò)接口 表 這里綁定，包括給套接字分配： IP 地址、 MAC 地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址以及接口設(shè)備名。但是我們的 TILExpress64 硬件平臺(tái)，只提供了 6 個(gè) RJ45 口（并不是 6 個(gè)網(wǎng)卡）以及 NetIO 庫(kù)對(duì)以太網(wǎng) 9 原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)包，我們沒(méi)有所謂的網(wǎng)絡(luò)接口。因此，這里我們將 NetIO 和 6 個(gè) RJ45 口看做是 數(shù)據(jù)鏈路層，它們?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)層提供支持。盡管 6 個(gè) RJ45 口沒(méi)有 IP 地址、 MAC 地址等硬件信息，但是在協(xié)議棧中我們可以為他們定義信息，在傳送和接收數(shù)據(jù)包的時(shí)候，根據(jù)該信息進(jìn)行處理，達(dá)到模擬出 6個(gè)網(wǎng)卡的功能。 因此，我們定義了一個(gè)類(lèi)型為 GK_interface 的結(jié)構(gòu)體數(shù)組 interface—— 網(wǎng)絡(luò)接口表，如下： struct GK_interface //網(wǎng)絡(luò) 接口 { unsigned long IPaddr。 //IP 地址 unsigned char MACaddr[ETH_ADDR_LEN]。 //MAC 地址 unsigned long Netmask。 //子網(wǎng)掩碼 unsigned long gateIP。 //網(wǎng)關(guān) IP char ifrn_name[IFNAMSIZ]。 //接口名稱(chēng) int family。 //協(xié)議族 int hwtype。 //硬件類(lèi)型 int ifru_flags。 //接口標(biāo)記 }。 這樣每個(gè) RJ45 口，我們都為其分配了一個(gè)網(wǎng)卡所必須的硬件信息。函數(shù) socket 在打開(kāi)一個(gè)套接字后，會(huì)選擇一個(gè)默認(rèn)的接口進(jìn)行綁定。 我們協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)就在于我們自己維護(hù)了套接字表和網(wǎng)絡(luò)接口表。其它任何函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，都離不開(kāi)對(duì)這兩張表的操作和訪問(wèn)。 close 函數(shù) 函數(shù)原型 int close ( int fd ) close 函數(shù)用來(lái)關(guān)閉一個(gè)套接字，其實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只需對(duì)傳入的套接字進(jìn)行合法性判斷，然后釋放其對(duì)應(yīng)的套接字表項(xiàng)的內(nèi)存空間即可。 綁定本地地址 —— bind 函數(shù) 函數(shù)原型 int bind ( int fd , const struct sockaddr * addr , int addrlen ) 第 2 參數(shù) addr 傳入了一個(gè) IP 地址和端口號(hào)， bind 函數(shù)首先通過(guò) IP 地址找到在網(wǎng)絡(luò)接口表中相匹配的網(wǎng)絡(luò)接口，然后將其硬件信息保存到套接字表現(xiàn)中。盡管在打開(kāi)套接字的時(shí)候，我們已經(jīng)給套接字隱式綁定了一個(gè)默認(rèn)的接口，但是這里仍然以顯示綁定的接口為準(zhǔn)。 在顯示綁定的時(shí)候，傳入的 IP 地址必須是 6 個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口中某一個(gè)接口的 IP 地址，否則的話， bind函數(shù)將返回錯(cuò)誤信息，綁定失敗。關(guān)于錯(cuò)誤信息的作用和實(shí)現(xiàn)我們將在后面講述 getsockopt 獲取套接字選項(xiàng)時(shí)再詳細(xì)描述。 在前面講 述 socket 函數(shù)的時(shí)候，我們說(shuō)支持 2 種地址族類(lèi)型： AF_INET 和 AF_PACKET，因此我們這里在進(jìn)行地址綁定的時(shí)候，也必須支持這兩種地址族類(lèi)型。 AF_INET 對(duì)應(yīng)是 IPv4 的地址，其結(jié)構(gòu)體是 struct sockaddr_in； AF_PACKET 是初級(jí)包接口，其結(jié)構(gòu)體是 struct sockaddr_ll。在調(diào)用 bind 函數(shù)時(shí)，無(wú)論那種地址族類(lèi)型，都必須強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換為 struct sockaddr， 參數(shù)三 addrlen 指示結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度。這三種結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員都是一個(gè) 16 位的數(shù)值，用來(lái)標(biāo)識(shí)地址族類(lèi) 型，因此我們可以通過(guò)該成員來(lái)判斷 sockaddr 是由哪一種地址結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)化而來(lái)。 三種地址結(jié)構(gòu)體定義如下： struct sockaddr { unsigned short sa_family。 /* address family, AF_xxx */ char sa_data[14]。 /* 14 bytes of protocol address */ }。 10 struct sockaddr_in { short int sin_family。 /* Address family */ unsigned short int sin_port。 /* Port number */ struct in_addr sin_addr。 /* Inter address */ unsigned char sin_zero[8]。 /* Same size as struct sockaddr */ }。 struct sockaddr_ll { unsigned short sll_family。 /* Address family */ unsigned short sll_protocol。 /* Protocol */ int sll_ifindex。 /* Interface index */ unsigned short sll_hatype。 /* Hardware type */ unsigned char sll_pkttype。 /* Packet type