Linux 内核网络之 Listen 的实现

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ithorizon 7个月前 (10-05) 阅读数 34 #Linux

Linux 内核网络之 Listen 的实现

在 Linux 网络编程中，"Listen" 是一个重要的概念，它代表了服务器监听特定端口，准备接收客户端连接的过程。本文将深入探讨 Linux 内核中 Listen 的实现机制，包括相关的数据结构、函数调用流程以及内核中的处理细节。

1. Listen 的基本概念

在 TCP/IP 协议中，当一个服务器程序需要监听特定端口以接收客户端连接时，它会对 socket 执行 listen 操作。这个操作会将 socket 设置为监听模式，并告知内核开端监听该端口上的连接请求。

2. 数据结构

在 Linux 内核中，socket 和端口相关的数据结构重点存储在 sock 结构体中。sock 结构体包含了与 socket 相关的各种信息，包括但不限于：


struct sock {
    ...
    struct sock_common sk_common;
    struct hlist_node hlist;
    ...
    struct inet_timewait_queue twq;
    ...
    struct proto *protype;
    ...
};

其中，sk_common 结构体包含了 socket 的基本属性，如协议族、协议、端口等。inet_timewait_queue 结构体用于处理 TIME_WAIT 状态的 socket。

3. listen 函数调用流程

当一个应用程序调用 listen 函数时，它会通过系统调用传递给内核。内核在处理这个调用时，会按照以下流程进行：

检查调用者是否有权限执行 listen 操作。

检查 socket 是否已经绑定到端口。

检查 socket 是否已经处于监听状态。

将 socket 的 sk_common 结构体中的 state 字段设置为 SOCK_LISTEN。

将 socket 添加到内核的监听队列中。

返回顺利。

以下是 listen 函数的一个简化版本：


SYSCALL_DEFINE1(listen, int, sockfd, int, backlog)
{
    struct sock *sk;
    int err;
    if ((err = security_socket_listen(sockfd)) < 0)
        return err;
    if (sock->sk_state == SS_LISTEN)
        return -EALREADY;
    if (sock->sk_state != SS_BIND)
        return -EACCES;
    sock->sk_state = SS_LISTEN;
    sock->sk_backlog = backlog;
    err = __listen(sockfd, backlog);
    return err;
}

4. 监听队列

内核使用一个循环队列来存储监听队列，该队列由一个数组实现。当一个连接请求到达时，内核会将这个请求插入到监听队列中。监听队列的头部和尾部指针用于即队列的当前位置。


struct listen_queue {
    struct sock *head;
    struct sock *tail;
    spinlock_t lock;
};

5. 处理连接请求

当一个连接请求到达监听队列时，内核会按照以下流程进行处理：

从监听队列中取出一个 socket。

创建一个新的 socket，用于与客户端通信。

将新的 socket 添加到连接队列中。

将新的 socket 传递给应用程序处理。

以下是处理连接请求的简化代码：


static void __process_new_sock(struct sock *sk)
{
    struct sock *newsk;
    int err;
    newsk = alloc_skb(sk, sizeof(struct sock));
    if (!newsk)
        return;
    err = sock_create(sk, sk->sk_prot, newsk);
    if (err)
        goto errout;
    newsk->sk_wq = sk_wq;
    newsk->sk_state = SS_CONNECTING;
    err = sock_insert_queue(newsk, &newsk->sk_wq);
    if (err)
        goto errout;
    err = __security_socket_post_accept(newsk);
    if (err)
        goto errout;
    err = __accept_wrapper(newsk);
    if (err)
        goto errout;
    return;
errout:
    kfree_skb(newsk);
}