Socket与系统调用深度分析
1.socket原理
1.1 计算机网络通信原理
在现行的tcp/ip协议中，总共分为四个层次，分别是网络接入层（对应iso标准的物理层和数据链路层），互联网络层（对应iso网络层），传输层（对应iso传输层）和应用层（对应iso应用层，表示层，会话层）。
网络接入层提供物理层面的链接，互联网络层实现数据报的转发与传递，传输层实现点到点的通信，应用层提供应用数据。在上述层次中，每一层都在下一层提供服务的基础上进行了封装，这样上层在调用其功能时，只需要知道该层次所提供的接口即可。
1.2 Socket简介
传输层实现端到端的通信，因此，每一个传输层连接有两个端点。那么，传输层连接的端点不单是主机，也不单是传输层的协议端口。传输层连接的端点叫做套接字（socket）。根据RFC793的定义：端口号拼接到IP地址就构成了套接字。套接字Socket=（IP地址：端口号），套接字的表示方法是点分十进制的IP地址后面写上端口号，中间用冒号或逗号隔开。每一个传输层连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。所谓套接字，实际上是一个通信端点，每个套接字都有一个套接字序号，包括主机的IP地址与一个16位的主机端口号，即形如（主机IP地址：端口号）。例如，如果IP地址是127.0.0.1，而端口号是80，那么得到套接字就是（127.0.0.1：80）。
套接字可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的一个端点。通信时，其中的一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的Socket中，该Socket通过网络接口卡的传输介质将这段信息发送给另一台主机的Socket中，使这段信息能传送到其他程序中。因此，两个应用程序之间的数据传输要通过套接字来完成。
如上图所示，一般调用socket函数的通信流程为，服务端通过socket结构，用bind函数绑定ip地址和端口号，再通过listen监听通信，等待用户端连接请求，而用户端使用connect建立连接。连接建立后，用户端和服务端都可以使用write（）和read（）来进行信息的发送与接收，在传输完毕时，用户端先断开连接，服务器端接收到断开连接信号后，也断开连接。
2.内核与系统调用原理
2.1内核
内核，是一个操作系统的核心。是基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统的最基本的功能，是操作系统工作的基础，它负责管理系统的进程、内存、内核体系结构、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。内核将操作系统分为目态和管态，目态运行的程序受到权限限制，部分功能直接使用，在它们需要使用这些被限制的功能时，通过系统调用来实现。
2.2 系统调用
操作系统中的状态分为管态（核心态）和目态（用户态）。目态的进程运行受到权限限制，不能使用特权指令。(特权指令：一类只能在核心态下运行而不能在用户态下运行的特殊指令。不同的操作系统特权指令会有所差异，但是一般来说主要是和硬件相关的一些指令。)当目态进程需要使用特权指令时，他们通过访管指令将系统从目态转化为管态，从而获得权限执行特权指令。(访管指令：本身是一条特殊的指令，但不是特权指令，是在目态下使用的指令)访管指令能引起访管异常，通过中断机制实现功能。用户程序只在用户态下运行，有时需要访问系统核心功能，这时通过系统调用接口使用系统调用。
3.内核中断简介
中断是指由于接收到来自外围硬件（相对于中央处理器和内存）的异步信号或来自软件的同步信号，而进行相应的硬件／软件处理。发出这样的信号称为进行中断请求（interrupt request，IRQ）。硬件中断导致处理器通过一个上下文切换（context switch）来保存执行状态（以程序计数器和程序状态字等寄存器信息为主）；软件中断则通常作为CPU指令集中的一个指令，以可编程的方式直接指示这种上下文切换，并将处理导向一段中断处理代码。
系统调用本身就是一种中断，在Linux中，当进程使用系统调用时，执行int $0x80，产⽣向量为128的编程异常，内核保存现场，并从eax寄存器中读取系统调用号，传入system_call函数，执行对应系统调用。
4.Socket系统调用具体分析
在lab3所提供的main.c文件中，我们可以发现和socket有关的如socket()，listen()，bind()以及close()等几个函数。根据查阅资料，得知Linux中所有和socket有关的系统调用统一使用了sys_socketcall()作为入口。于是我们在gdb中，分别对sys_socketcall,sys_bind,sys_listen设置断点跟踪，结果如图所示。（在等待配置环境的同时先用了实验楼环境来追踪）
可以发现，start_kernal函数在启动虚拟机被且仅被调用一次，sys_socketcall调用了很多次，而listen和bind却没有反馈。
继续研究，sys_socketcall总是在调用一个名为syscall_define2的函数，在这里查阅资料可知，syscall_defineX（）为Linux中系统调用的统一接口，X为参数数量，这里syscall_define2表示系统调用参数有两个，第一个为系统调用名，第二个为类型+参数名。syscall_define2（socketcall，...）为socket相关的系统调用入口，其源码为
SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args)
{
unsigned long a[AUDITSC_ARGS];
unsigned long a0, a1;
int err;
unsigned int len;
if (call < 1 || call > SYS_SENDMMSG)
return -EINVAL;
call = array_index_nospec(call, SYS_SENDMMSG + 1);
len = nargs[call];
if (len > sizeof(a))
return -EINVAL;
/* copy_from_user should be SMP safe. */
if (copy_from_user(a, args, len))
return -EFAULT;
err = audit_socketcall(nargs[call] / sizeof(unsigned long), a);
if (err)
return err;
a0 = a[0];
a1 = a[1];
switch (call) {
case SYS_SOCKET:
err = __sys_socket(a0, a1, a[2]);
break;
case SYS_BIND:
err = __sys_bind(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
break;
case SYS_CONNECT:
err = __sys_connect(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
break;
case SYS_LISTEN:
err = __sys_listen(a0, a1);
break;
case SYS_ACCEPT:
err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
(int __user *)a[2], 0);
break;
case SYS_GETSOCKNAME:
err =
__sys_getsockname(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
(int __user *)a[2]);
break;
case SYS_GETPEERNAME:
err =
__sys_getpeername(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
(int __user *)a[2]);
break;
case SYS_SOCKETPAIR:
err = __sys_socketpair(a0, a1, a[2], (int __user *)a[3]);
break;
case SYS_SEND:
err = __sys_sendto(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
NULL, 0);
break;
case SYS_SENDTO:
err = __sys_sendto(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
(struct sockaddr __user *)a[4], a[5]);
break;
case SYS_RECV:
err = __sys_recvfrom(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
NULL, NULL);
break;
case SYS_RECVFROM:
err = __sys_recvfrom(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
(struct sockaddr __user *)a[4],
(int __user *)a[5]);
break;
case SYS_SHUTDOWN:
err = __sys_shutdown(a0, a1);
break;
case SYS_SETSOCKOPT:
err = __sys_setsockopt(a0, a1, a[2], (char __user *)a[3],
a[4]);
break;
case SYS_GETSOCKOPT:
err =
__sys_getsockopt(a0, a1, a[2], (char __user *)a[3],
(int __user *)a[4]);
break;
case SYS_SENDMSG:
err = __sys_sendmsg(a0, (struct user_msghdr __user *)a1,
a[2], true);
break;
case SYS_SENDMMSG:
err = __sys_sendmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1, a[2],
a[3], true);
break;
case SYS_RECVMSG:
err = __sys_recvmsg(a0, (struct user_msghdr __user *)a1,
a[2], true);
break;
case SYS_RECVMMSG:
if (IS_ENABLED(CONFIG_64BIT) || !IS_ENABLED(CONFIG_64BIT_TIME))
err = __sys_recvmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1,
a[2], a[3],
(struct __kernel_timespec __user *)a[4],
NULL);
else
err = __sys_recvmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1,
a[2], a[3], NULL,
(struct old_timespec32 __user *)a[4]);
break;
case SYS_ACCEPT4:
err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
(int __user *)a[2], a[3]);
break;
default:
err = -EINVAL;
break;
}
return err;
}
在这里我们可以看到，syscall_define2（socketcall，...）通过switch的方式，分别对传入的系统调用做对应处理。但它并没有直接实现对应的功能，而是继续调用函数。
从而我们可以得知，Linux系统真正调用的函数实际是__sys_bind而非sys_bind，因此在追踪sys_bind时没有反馈。
在配置好的Linux系统使用gdb对__sys_bind和__sys_listen进行追踪，结果如下：
继续分析调用结果，通过对照socketcall源码与gdb追踪结果，可以发现，系统调用顺序为：
socket
socket
socket
socket
connect
socket
bind
listen
accpet
socket
connect
send_to
send
accpet
由此我们知道，在实验三中进程实现hello和replyhi的过程中，系统调用的顺序为，socket->connect->bind->listen->accept->send_to->send
由此，我们弄清了实验三中实现hi与hello的网络通信中，socket几个相关函数的运行顺序。
在关于对不同协议的多态处理中，我在net/socket.c中，沿着源码从socket找到了sock_create，
int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol,
struct socket **res, int kern)
{
int err;
struct socket *sock;
const struct net_proto_family *pf;
if (family < 0 || family >= NPROTO)
return -EAFNOSUPPORT;
if (type < 0 || type >= SOCK_MAX)
return -EINVAL;
if (family == PF_INET && type == SOCK_PACKET) {
pr_info_once("%s uses obsolete (PF_INET,SOCK_PACKET)\n",
current->comm);
family = PF_PACKET;
}
err = security_socket_create(family, type, protocol, kern);
if (err)
return err;
sock = sock_alloc();
阅读源码可知，传参里有一个名为protocol的参数，显然和协议名有关。
在这里发现调用了security_socket_create函数，继续追踪，但找不到下文，查阅资料得知，它定义在./linux/include/linux/security.h，提供了从security_socket_create 到 security_ops 结构中动态安装的函数的间接调用。对它的研究暂时超过了笔者的能力，只好暂时放弃。但从上述追踪结果，以及之前的Linux编程风格，我们可以猜测，socket根据protocol值，分别调用对应底层函数，从而实现多态功能。
