第29章 系统调用
所属：TCP/IP详解 卷2：实现 来源：TCP/IP详解 卷2：实现
本章描述套接字相关的系统调用在内核中的实现，包括socket、bind、listen、accept、connect、发送接收等。
29.1 引言
套接字系统调用
套接字系统调用：
- 用户态和内核态的接口
- 应用程序通过系统调用使用网络功能
- 内核实现具体的协议逻辑
- 统一的API，不同协议都可以用
系统调用是应用和内核之间的接口。
主要的系统调用
主要的套接字系统调用：
| 调用 | 功能 |
|---|---|
| socket | 创建套接字 |
| bind | 绑定本地地址 |
| listen | 监听连接（TCP） |
| accept | 接受连接（TCP） |
| connect | 发起连接 |
| send / sendto / sendmsg | 发送数据 |
| recv / recvfrom / recvmsg | 接收数据 |
| close | 关闭套接字 |
| getsockname / getpeername | 获取地址 |
| getsockopt / setsockopt | 选项控制 |
| ioctl | I/O控制 |
| select / poll | 多路复用 |
| shutdown | 部分关闭 |
| read / write | 读写（流式套接字） |
套接字API有很多系统调用。
29.2 socket系统调用
socket的作用
socket：创建套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);- domain：地址族（AF_INET等）
- type：套接字类型（SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM等）
- protocol：协议号（通常0，默认）
- 返回：文件描述符，失败返回-1
创建一个套接字，返回文件描述符。
内核处理过程
socket系统调用的内核处理：
应用调用socket
|
v
系统调用进入内核
|
v
分配文件描述符
|
v
创建file结构
|
v
创建socket结构
|
v
根据domain和type查找protosw
|
v
调用pr_usrreq(PRU_ATTACH)
|
v
创建协议控制块（inpcb等）
|
v
返回文件描述符
socket结构
socket结构：
struct socket {
short so_type; /* 类型 */
short so_options; /* 选项 */
short so_linger; /* 延迟关闭时间 */
short so_state; /* 状态 */
caddr_t so_pcb; /* 协议控制块指针 */
struct protosw *so_proto; /* 协议切换表 */
struct sockbuf so_snd; /* 发送缓冲区 */
struct sockbuf so_rcv; /* 接收缓冲区 */
/* ... 其他字段 ... */
};字段说明：
- so_type：套接字类型
- so_options：套接字选项
- so_state：状态
- so_pcb：指向协议控制块（TCP的tcpcb、UDP的inpcb等）
- so_proto：指向protosw结构
- so_snd / so_rcv：发送和接收缓冲区
socket结构是套接字的通用部分。
协议控制块
协议控制块（PCB）：
- 每个协议自己的控制结构
- TCP：tcpcb（包含inpcb）
- UDP：inpcb
- so_pcb指向它
- 包含协议相关的状态
协议控制块是协议相关的部分。
29.3 bind系统调用
bind的作用
bind：绑定本地地址
int bind(int s, struct sockaddr *name, int namelen);- s：套接字描述符
- name：本地地址
- namelen：地址长度
- 返回：0成功，-1失败
给套接字绑定一个本地地址。
内核处理
bind系统调用的内核处理：
-
验证参数
- 验证描述符
- 验证地址
- 验证长度
-
检查端口
- 端口是否被占用
- 是否需要特殊权限（<1024）
- 地址是否可用
-
分配端口
- 如果端口为0，自动分配
- 从临时端口范围分配
-
设置地址
- 设置本地地址
- 更新inpcb
- 加入绑定列表
绑定地址和端口。
端口分配
端口的分类：
| 范围 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 0-1023 | 知名端口 | 需要root权限 |
| 1024-49151 | 注册端口 | 注册使用 |
| 49152-65535 | 动态/私有端口 | 自动分配 |
临时端口分配：
- bind时端口为0
- 内核自动分配
- 从动态端口范围选
- 确保不冲突
临时端口自动分配。
29.4 listen和accept
listen的作用
listen：开始监听
int listen(int s, int backlog);- s：套接字描述符
- backlog：连接队列长度
- 返回：0成功，-1失败
作用：
- 把套接字设置为监听状态
- 准备接受连接
- 只能用于TCP（SOCK_STREAM）
监听来自客户端的连接。
accept的作用
accept：接受连接
int accept(int s, struct sockaddr *addr, int *addrlen);- s：监听套接字描述符
- addr：返回对端地址
- addrlen：地址长度
- 返回：新的套接字描述符
作用：
- 从已完成连接队列取一个连接
- 创建新的套接字
- 返回新的文件描述符
- 默认阻塞
接受一个新的连接。
连接队列
TCP的连接队列：
客户端 服务器
| |
|---- SYN ----------->| 未完成连接队列（SYN_RCVD）
| |
|<--- SYN+ACK --------|
| |
|---- ACK ----------->| 已完成连接队列（ESTABLISHED）
| |
| | accept取出
| |
两个队列：
-
未完成连接队列（incomplete connection queue）
- 已收到SYN，已发SYN+ACK
- 等待ACK
- SYN_RCVD状态
-
已完成连接队列（completed connection queue）
- 已完成三次握手
- ESTABLISHED状态
- 等待accept取走
backlog参数限制已完成队列的长度。
29.5 connect系统调用
connect的作用
connect：发起连接
int connect(int s, struct sockaddr *name, int namelen);- s：套接字描述符
- name：对端地址
- namelen：地址长度
- 返回：0成功，-1失败
发起一个连接。
TCP的connect
TCP的connect过程：
-
分配本地端口
- 如果没bind，自动分配
-
发送SYN
- 构造SYN报文
- 发送出去
-
进入SYN_SENT状态
- 等待SYN+ACK
-
等待完成
- 收到SYN+ACK
- 发送ACK
- 进入ESTABLISHED
- 返回成功
TCP的connect是有连接的。
UDP的connect
UDP的connect：
- 不发送任何数据
- 只是记录对端地址
- 之后可以用send/recv（不用sendto/recvfrom）
- 可以收到异步错误（ICMP错误）
UDP connect的作用：
- 简化编程
- 可以收到异步错误
- 提高效率（不用每次指定地址）
UDP的connect只是记录地址，不发数据。
29.6 发送和接收
发送数据
发送数据的系统调用：
| 调用 | 说明 |
|---|---|
| send | 已连接套接字，不需要地址 |
| sendto | 可以指定目的地址 |
| sendmsg | 最通用，支持控制信息 |
send的参数最少，sendmsg最通用。
内核发送处理
发送数据的内核处理：
-
从用户空间复制数据
- 复制到内核缓冲区
- 封装成mbuf链
-
调用协议层
- 调用pr_usrreq(PRU_SEND)
- 协议层处理
-
向下传递
- TCP/UDP处理
- IP层处理
- 接口输出
数据从用户空间到内核，再向下传递。
接收数据
接收数据的系统调用：
| 调用 | 说明 |
|---|---|
| recv | 已连接套接字 |
| recvfrom | 可以获取源地址 |
| recvmsg | 最通用，支持控制信息 |
内核接收处理
接收数据的内核处理：
-
数据到达
- 从网络接口收到
- 逐层向上传递
-
放入接收缓冲区
- 放入socket的接收缓冲区
- 唤醒等待的进程
-
进程读取
- 进程调用recv
- 从接收缓冲区取数据
- 复制到用户空间
数据从网络到内核缓冲区，再到用户空间。
29.7 其他系统调用
getsockname / getpeername
getsockname：获取本地地址
int getsockname(int s, struct sockaddr *name, int *namelen);getpeername：获取对端地址
int getpeername(int s, struct sockaddr *name, int *namelen);用途：
- 获取自动分配的端口
- 获取对端地址
- 验证连接
获取套接字的地址信息。
getsockopt / setsockopt
getsockopt：获取套接字选项
int getsockopt(int s, int level, int optname, void *optval, int *optlen);setsockopt：设置套接字选项
int setsockopt(int s, int level, int optname, const void *optval, int optlen);选项层级：
- SOL_SOCKET：套接字层
- IPPROTO_TCP：TCP层
- IPPROTO_IP：IP层
获取和设置各种选项。
ioctl
ioctl：I/O控制
int ioctl(int d, unsigned long request, ...);常见的网络相关ioctl：
- SIOCGIFCONF：获取接口列表
- SIOCGIFADDR：获取接口地址
- SIOCSIFADDR：设置接口地址
- SIOCGIFNETMASK：获取子网掩码
- SIOCSIFNETMASK：设置子网掩码
- SIOCSIFFLAGS：设置接口标志
- SIOCADDRT：添加路由
- SIOCDELRT：删除路由
- … 还有很多
ioctl功能很多，各种控制操作。
select / poll
select：多路复用
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);poll：多路复用
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);作用：
- 等待多个套接字就绪
- 提高并发效率
- 单进程处理多个连接
多路复用提高并发能力。
shutdown
shutdown：部分关闭
int shutdown(int s, int how);how的取值：
- SHUT_RD：关闭读
- SHUT_WR：关闭写
- SHUT_RDWR：都关闭
作用：
- 可以只关读或只关写
- 半关闭
- TCP的半关闭用这个
可以部分关闭套接字。
29.8 小结
套接字系统调用
-
主要的系统调用
- socket、bind、listen、accept
- connect、send、recv、close
- getsockname、getpeername
- getsockopt、setsockopt
- ioctl、select、shutdown
-
统一的API
- 不同协议都用同样的接口
- 应用程序不用关心底层协议
- 灵活性高
socket系统调用
-
作用
- 创建套接字
- 返回文件描述符
-
内核处理
- 分配描述符
- 创建socket结构
- 查找protosw
- 创建协议控制块
-
socket结构
- 通用部分
- so_pcb指向协议控制块
- 发送接收缓冲区
bind系统调用
-
作用
- 绑定本地地址和端口
-
端口分配
- 知名端口：需要权限
- 注册端口
- 动态端口：自动分配
listen和accept
-
listen
- 设置监听状态
- backlog参数
-
accept
- 接受连接
- 返回新的描述符
-
连接队列
- 未完成连接队列
- 已完成连接队列
- backlog限制已完成队列
connect系统调用
-
TCP的connect
- 发送SYN
- 三次握手
- 有连接
-
UDP的connect
- 只记录地址
- 不发数据
- 可以收异步错误
发送和接收
-
发送
- send / sendto / sendmsg
- 用户空间 → 内核 → 网络
-
接收
- recv / recvfrom / recvmsg
- 网络 → 内核缓冲区 → 用户空间
其他系统调用
-
getsockname / getpeername
- 获取本地/对端地址
-
getsockopt / setsockopt
- 获取/设置选项
-
ioctl
- 各种控制操作
- 接口、路由等
-
select / poll
- 多路复用
- 提高并发
-
shutdown
- 部分关闭
- 半关闭
关键概念
-
系统调用
- 用户态和内核态的接口
- 统一的API
-
socket结构
- 通用部分
- 协议控制块
-
连接队列
- 未完成和已完成
- backlog参数
-
发送接收
- 用户空间和内核空间之间复制
- 缓冲区
-
多路复用
- select / poll
- 单进程多连接