Socket与系统调用深度分析

Stella981
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Socket与系统调用深度分析

实验环境:Linux-5.0.1 内核 32位系统的MenuOS

本文主要解决两个问题

  • 用户态如何通过中断进入socket的系统调用
  • socket抽象层如何通过多态的机制,来支持不同的传输层的协议。也就是socket作为父类,TCP/UDP为子类,父类指向子类对象,实现多态。

主要问题有下图的红色字体标出

Socket与系统调用深度分析
#include<socket.h>
int main(int argc, char *argv[])
{  ...
   socket(...)
   ...
   return 0;
}

该函数会调用socket,socket内核提供给我们的函数,要通过系统调用来使用。

调用流程

那么,在应用程序内,调用一个系统调用的流程是怎样的呢?

我们以一个假设的系统调用 xyz 为例,介绍一次系统调用的所有环节。

Socket与系统调用深度分析

如上图,系统调用执行的流程如下:

  1. 应用程序 代码调用系统调用( xyz ),该函数是一个包装系统调用的 库函数
  2. 库函数 ( xyz )负责准备向内核传递的参数,并触发 软中断 以切换到内核;
  3. CPU软中断 打断后,执行 中断处理函数 ,即 系统调用处理函数 ( system_call);
  4. 系统调用处理函数 调用 系统调用服务例程 ( sys_xyz ),真正开始处理该系统调用;

所以如果要找到socket的系统调用,关键就是找到socket的system_call入口,在Linux-5.0.1 内核中

https://github.com/mengning/linux/blob/master/arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl 从中可以发现socket的系统调用位102号

Socket与系统调用深度分析

那么跟踪程序如果可以跟踪到socketcall,就可以观察到系统调用,下面通过gdb调试qume中的linux源代码来跟踪系统调用。

跟踪socketcall系统调用

#启动qemu 加载内核,不加-S,因为跟踪的系统调用,不是启动过程
qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -append  nokaslr -s 
#打开一个新的终端
gdb
file ~/linux-5.0.1/vmlinux
b sys_socketcall   
target remote:1234
c
#在qume中输入
replyhi

Socket与系统调用深度分析 Socket与系统调用深度分析

可以看到程序停止在_sys_socketcall,该韩式纸SYSCALL_DEFINE2,也即是系统调用后,通过软中断,跳转到了该函数,查看该函数源码如下,gdb中的call = 1 ,正是传递到swich case语句中

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) {            //根据call的不同之,从而执行不同的系统系统调用 当前call = 1 也就是执行
    case SYS_SOCKET:                         // SYS_SOCKET的系统调用。
        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linuxnet的lab3中查看replyhi源码,可以发现其实就是基本的socket - bind - listen - accept 过程这就不详细列出,结合上面的_sys_socketcall,可以猜想到会调用多次_sys_socketcall,进入switch case语句中。

Socket与系统调用深度分析

可以看到,调用了4次,分别call为 1 2 4 5,也对用服务器开始动作 socket - bind - listen -accept

客户端类似,这里不做演示。

###socket抽象层的多态的机制

从上上面的SYSCALL_DEFINE2中可以看到__sys_socket()函数

SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args){
、、、
switch (call) {
    case SYS_SOCKET:
        err = __sys_socket(a0, a1, a[2]);
        break;
、、、
}


//进入该函数
int __sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
    int retval;
    struct socket *sock;  // socket位关键的数据结构
    int flags;

    /* Check the SOCK_* constants for consistency.  */
    BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
    BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK);
    BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK);
    BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK);

    flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;
    type &= SOCK_TYPE_MASK;

    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
    if (retval < 0)
        return retval;

    return sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
}


<net.h>
struct socket {
    socket_state        state;
    short            type;
    unsigned long        flags;
    struct socket_wq    *wq;
    struct file        *file;
    struct sock        *sk;
    const struct proto_ops    *ops;  // ***
};

其中最为核心的就是_struct proto_ops_,查看它的定义可以看到

<net.h>
struct proto_ops {
    int        family;
    struct module    *owner;
    int        (*release)   (struct socket *sock);
    int        (*bind)         (struct socket *sock,
                      struct sockaddr *myaddr,
                      int sockaddr_len);
    int        (*connect)   (struct socket *sock,
                      struct sockaddr *vaddr,
                      int sockaddr_len, int flags);
    int        (*socketpair)(struct socket *sock1,
                      struct socket *sock2);
    int        (*accept)    (struct socket *sock,
                      struct socket *newsock, int flags, bool kern);
  //...

可以这个结构体中有很多的函数指针,查看SYSCALL_DEFINE2中的__sys_connect

int __sys_connect(int fd, struct sockaddr __user *uservaddr, int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    struct sockaddr_storage address;
    int err, fput_needed;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;
    err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, &address);
    if (err < 0)
        goto out_put;

    err =
        security_socket_connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen);
    if (err)
        goto out_put;

    err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
                 sock->file->f_flags)   //*** 

可以看到有一个sock->ops->connect函数指针的调用,我们这是调用的是TCP,查看ipv4/tcp_ipv4.c

struct proto tcp_prot = {
    .name            = "TCP",
    .owner            = THIS_MODULE,
    .close            = tcp_close,
    .pre_connect        = tcp_v4_pre_connect,
    .connect        = tcp_v4_connect,
    .disconnect        = tcp_disconnect,
    .accept            = inet_csk_accept,
    .ioctl            = tcp_ioctl,
    .init            = tcp_v4_init_sock,
  //...

这就是tcp中对对相应函数指针实现的初始化。调用时就会通过这个数据结构查到相应的函数。

不同的协议,就痛过不同的数据结构,写入不同的函数指针,从而实现了多态的机制。

参考资料

https://www.cnblogs.com/fasionchan/p/9431784.html

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