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TCPIP详解卷2_第07章 域和协议

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第7章 域和协议

所属：TCP/IP详解 卷2：实现 来源：TCP/IP详解 卷2：实现

本章描述内核中协议族（域）和协议的组织方式，包括domain结构、protosw结构、inetsw数组等。

7.1 引言

本章讨论的内容

本章讨论的内容：

  • 域（domain）结构
  • 协议切换表（protosw）
  • Internet协议的protosw数组（inetsw）
  • 原始IP接口
  • 域的初始化

域和协议是内核网络栈的组织框架。

7.2 domain结构

什么是域

域（domain）：

  • 一个协议族，如Internet协议族
  • 包含该族的所有协议
  • 每个域有一个domain结构
  • 所有域链接成一个链表

域是协议族的抽象。

domain结构定义

struct domain {
    int     dom_family;         /* 地址族，如AF_INET */
    char    *dom_name;          /* 域名，如"internet" */
    void    (*dom_init)(void);  /* 初始化函数 */
    struct  protosw *dom_protosw; /* 协议切换表 */
    struct  protosw *dom_protoswNPROTOSW; /* 表尾指针 */
    struct  domain *dom_next;   /* 下一个域 */
    int     (*dom_rtattach)(void); /* 选路表初始化 */
    int     dom_rtoffset;       /* 选路表偏移 */
    int     dom_maxrtkey;       /* 最大选路键长 */
};

字段说明

字段说明
dom_family地址族标识，如AF_INET、AF_LOCAL
dom_name域名，字符串形式
dom_init域的初始化函数指针
dom_protosw协议切换表的起始
dom_protoswNPROTOSW协议切换表的结束
dom_next下一个域的指针，链表
dom_rtattach选路表初始化函数
dom_rtoffset选路表偏移
dom_maxrtkey最大选路键长度

每个协议族对应一个domain结构。

常见的域

域地址族说明
inetdomainAF_INETInternet协议族（TCP/IP）
unixdomainAF_LOCAL本地（Unix域）套接字
routedomainAF_ROUTE选路套接字
linkdomainAF_LINK链路层接口
nsdomainAF_NSXerox NS协议
isodomainAF_ISOOSI协议

4.4BSD支持多种协议族。

7.3 protosw结构

什么是protosw

protosw（protocol switch）：

  • 协议切换表
  • 每个协议一个protosw结构
  • 包含协议的所有操作函数指针
  • 类似于面向对象的虚函数表

protosw是协议的操作接口。

protosw结构定义

struct protosw {
    short   pr_type;            /* 插口类型 */
    struct  domain *pr_domain;  /* 所属域 */
    short   pr_protocol;        /* 协议号 */
    short   pr_flags;           /* 标志 */
    
    /* 输入输出 */
    void    (*pr_input)(int);
    int     (*pr_output)(struct mbuf *, ...);
    
    /* 控制输入输出 */
    void    (*pr_ctlinput)(int, struct sockaddr *, void *);
    int     (*pr_ctloutput)(int, struct socket *, ...);
    
    /* 用户请求 */
    int     (*pr_usrreq)(struct socket *, int, ...);
    
    /* 定时器 */
    void    (*pr_fasttimo)(void);  /* 快速超时（200ms） */
    void    (*pr_slowtimo)(void);  /* 慢速超时（500ms） */
    
    /* 其他 */
    void    (*pr_drain)(void);     /* 内存回收 */
    int     (*pr_sysctl)(int *, u_int, void *, size_t, ...);
};

字段说明

字段说明
pr_type插口类型，如SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM
pr_domain所属的域
pr_protocol协议号，如IPPROTO_TCP
pr_flags协议标志
pr_input输入处理函数
pr_output输出处理函数
pr_ctlinput控制输入（如ICMP错误）
pr_ctloutput控制输出（如setsockopt）
pr_usrreq用户请求处理
pr_fasttimo快速超时处理（200ms一次）
pr_slowtimo慢速超时处理（500ms一次）
pr_drain内存回收（内存不足时调用）
pr_sysctlsysctl系统调用处理

pr_flags标志

标志说明
PR_ATOMIC原子消息，不拆分
PR_ADDR地址，每个消息带地址
PR_CONNREQUIRED需要连接
PR_WANTRCVD想要接收通知
PR_RIGHTS支持权限传递

例子：

  • TCP：PR_CONNREQUIRED | PR_WANTRCVD
  • UDP：PR_ATOMIC | PR_ADDR
  • ICMP：PR_ATOMIC | PR_ADDR

标志描述协议的特性。

7.4 inetsw数组

Internet协议的protosw数组

Internet协议族的所有协议组织在inetsw数组中：

struct protosw inetsw[] = {
    /* 0: IP层，只能由内核访问 */
    { SOCK_RAW, &inetdomain, IPPROTO_IP, PR_ATOMIC|PR_ADDR,
      ip_input, 0, ip_ctlinput, ip_ctloutput,
      ip_usrreq, 0, 0, 0, 0, ip_sysctl },
    
    /* 1: 未使用 */
    
    /* 2: TCP */
    { SOCK_STREAM, &inetdomain, IPPROTO_TCP, PR_CONNREQUIRED|PR_WANTRCVD,
      tcp_input, 0, tcp_ctlinput, tcp_ctloutput,
      tcp_usrreq, tcp_fasttimo, tcp_slowtimo, tcp_drain, tcp_sysctl },
    
    /* 3: UDP */
    { SOCK_DGRAM, &inetdomain, IPPROTO_UDP, PR_ATOMIC|PR_ADDR,
      udp_input, 0, udp_ctlinput, udp_ctloutput,
      udp_usrreq, 0, 0, 0, udp_sysctl },
    
    /* 4: ICMP */
    { SOCK_RAW, &inetdomain, IPPROTO_ICMP, PR_ATOMIC|PR_ADDR,
      icmp_input, 0, icmp_ctlinput, icmp_ctloutput,
      rip_usrreq, 0, 0, 0, 0 },
    
    /* ... 其他协议 ... */
};

数组索引

inetsw数组的索引：

  • 0：IP层（raw，内核用）
  • 1：未使用
  • 2：TCP
  • 3：UDP
  • 4：ICMP
  • … 其他协议

索引和协议号不完全对应，需要查找。

原始IP接口

原始IP（Raw IP）：

  • SOCK_RAW类型
  • 允许进程直接发送和接收IP分组
  • 不经过传输层处理
  • 需要特殊权限

用途：

  • ping、traceroute等诊断工具
  • 实现用户态协议
  • 安全扫描工具
  • 网络研究和实验

原始套接字给用户态直接访问IP层的能力。

7.5 域的初始化

初始化过程

域初始化的步骤：

  1. 系统启动时，初始化网络子系统
  2. 遍历所有域
  3. 调用每个域的dom_init
  4. 初始化协议数据结构
  5. 注册定时器
  6. 初始化选路表

inetdomain的初始化：

  • 初始化IP层
  • 初始化TCP
  • 初始化UDP
  • 初始化ICMP
  • 初始化IGMP
  • 等等

每个域自己负责初始化自己的协议。

协议切换表的查找

查找protosw的函数：

struct protosw *
pffindproto(domain, protocol, type)
    struct domain *domain;
    int protocol;
    int type;
{
    /*
     * 在域的protosw数组中查找
     * 匹配协议号和类型
     */
}

使用场景：

  • socket系统调用：根据域、类型、协议找protosw
  • IP分用：根据协议号找传输层协议
  • 各种协议操作

通过pffindproto找到对应的协议。

7.6 小结

domain结构

  1. 结构定义

    • dom_family：地址族
    • dom_name：域名
    • dom_init：初始化函数
    • dom_protosw：协议切换表
    • dom_next：链表指针

  2. 常见的域

    • AF_INET：Internet
    • AF_LOCAL：Unix域
    • AF_ROUTE：选路
    • AF_LINK：链路层

protosw结构

  1. 结构定义

    • pr_type：插口类型
    • pr_protocol：协议号
    • pr_flags：标志
    • 各种函数指针

  2. 函数指针

    • pr_input：输入处理
    • pr_output：输出处理
    • pr_usrreq：用户请求
    • pr_fasttimo / pr_slowtimo：定时器
    • pr_drain：内存回收
    • pr_sysctl：系统控制

  3. pr_flags标志

    • PR_ATOMIC：原子消息
    • PR_ADDR：带地址
    • PR_CONNREQUIRED：需要连接
    • PR_WANTRCVD：接收通知

inetsw数组

  1. 数组结构

    • IP层
    • TCP
    • UDP
    • ICMP
    • 其他协议

  2. 原始IP接口

    • SOCK_RAW
    • 直接访问IP层
    • 用于诊断和实验

域的初始化

  1. 初始化过程

    • 系统启动时
    • 调用每个域的dom_init
    • 初始化协议数据结构

  2. 协议查找

    • pffindproto函数
    • 根据域、协议号、类型查找
    • 用于socket系统调用等

关键概念

  1. 域（domain）

    • 协议族的抽象
    • 包含多个协议
    • 链表组织

  2. 协议切换表（protosw）

    • 每个协议一个
    • 函数指针表
    • 统一的接口

  3. inetsw数组

    • Internet协议的protosw数组
    • IP、TCP、UDP、ICMP等
    • 原始IP接口

  4. 协议查找

    • pffindproto
    • 根据域、类型、协议号查找

域 协议

关系图谱