转自：http://blog.csdn.net/rstevens/archive/2007/04/10/1559289.aspx
1.
网络子系统
1.1.
网络子系统概述
Linux
内核中，与网络相关的代码是一个相对独立的子系统，称为网络子系统。
网络子系统是一个层次化的结构，可分为以下几个层次：
1、
Socket
层
Linux
在发展过程中，采用
BSD socket APIs
作为自己的网络相关的
API
接口。同时，
Linux
的目标又要能支持各种不同的协议族，而且这些协议族都可以使用
BSD socket APIs
作为应用层的编程接口。因此，在
socket APIs
与协议族层之间抽象出一个
socket
层，用于将
user space
的
socket API
调用，转给具体的协议族做处理。
2、
协议族层（
INET
协议族、
INET6
协议族等）
Linux
网络子系统功能上相当完备，它不仅支持
INET
协议族（也就是通常所说的
TCP/IP stack
），而且还支持其它很多种协议族，如
DECnet, ROSE, NETBEUI
等。
INET6
就是一种新增加的协议族。
对于
INET
、
INET6
协议族来说，
又进一步划分为传输层和网络层。
3、
设备驱动层
设备驱动层则主要将协议族层与物理的网络设备隔离开。它不在本文的讨论范围之内。
下图是
Linux
网络系统层次结构图。
1.2.
网络子系统的初始化
·
Socket
层的初始化：
Init()->do_basic_setup()->sock_init()
Sock_init()
：对
sock
和
skbuff
结构进行
SLAB
内存的初始化工作
·
各种网络协议族的初始化：
Do_initcalls()
：
对于编译到内核中的功能模块（而不是以模块的形式动态加载），它的初始化函数会在这个地方被调用到。
内核映象中专门有一个初始化段，所有编译到内核中的功能模块的初始化函数都会加入到这个段中；而
do_initcalls()
就是依次执行初始化段中的这些函数。
INET
协议族通常是被编译进内核的；它的模块初始化函数是
net/ipv4/af_inet.c
中的
inet_init()
而
INET6
是作为一个模块编译的。它的模块初始化函数是
net/ipv6/af_inet6.c
中的
inet6_init()
2.
协议族
Linux
网络子系统可以支持不同的协议族，
Linux
所支持的协议族定义在
include/linux/socket.h
2.1.
协议族数据结构
协议族数据结构是
struct net_proto_family
。
net_proto_family {
int
family;
int
(
*
create)(
struct
socket
*
sock,
int
protocol);
short
authentication;
short
encryption;
short
encrypt_net;
struct
module
*
owner;
};
这个结构中，最重要的是
create
函数，一个新的协议族，必须提供此函数的实现。这是因为：
不同的网络协议族，从
user space
的使用方法来说，都是一样的，都是先调用
socket()
来创建一个
socket fd
，然后通过这个
fd
发送
/
接收数据。
在
user space
通过
socket()
系统调用进入内核后，根据第一个参数协议族类型，来调用相应协议族的
create()
函数。对
INET6
来说，这个函数是
inet6_create()
。
因此，要实现一个新的协议族，首先需要提供一个
create()
的实现。关于
create()
里面具体做了什么，后面再叙述。
Linux
系统通过这种方式，可以很方便的支持新的网络协议族，而不用修改已有的代码。这很好的符合了
“开
-
闭原则”，对扩展开放，对修改封闭。
2.2.
协议族注册
Linux
维护一个
struct net_proto_family
的数组
net_families[]
如果要支持一个新的网络协议族，那么需要定义自己的
struct net_proto_family
，并且通过调用
sock_register
将它注册到
net_families[]
中。
3.
socket
层的主要数据结构
socket
层又叫
“socket access protocol layer”
。它处于
BSD socket APIs
与底层具体的协议族之间。这是一个抽象层，它起着承上启下的作用。在这一层的数据结构也有着这种特点。
3.1.
Struct socket
在
user space
，通过
socket()
创建的
socket fd
，在内核中对应的就是一个
struct socket
。
socket {
socket_state state;
unsigned
long
flags;
struct
proto_ops
*
ops;
struct
fasync_struct
*
fasync_list;
struct
file
*
file;
struct
sock
*
sk;
wait_queue_head_t wait;
short
type;
};
它定义于
include/linux/net.h
中
。
3.2.
Struct proto_ops
Struct socket
的
ops
域指向一个
struct proto_ops
结构，
struct proto_ops
定义于
include/linux/net.h
中，它是
socket
层提供给上层的接口，这个结构中，都是
BSD socket API
的具体实现的函数指针。
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);
int
(
*
getname) (
struct
socket
*
sock,
struct
sockaddr
*
addr,
int
*
sockaddr_len,
int
peer);
unsigned
int
(
*
poll) (
struct
file
*
file,
struct
socket
*
sock,
struct
poll_table_struct
*
wait);
int
(
*
ioctl) (
struct
socket
*
sock, unsigned
int
cmd,
unsigned
long
arg);
int
(
*
listen) (
struct
socket
*
sock,
int
len);
int
(
*
shutdown) (
struct
socket
*
sock,
int
flags);
int
(
*
setsockopt)(
struct
socket
*
sock,
int
level,
int
optname,
char
__user
*
optval,
int
optlen);
int
(
*
getsockopt)(
struct
socket
*
sock,
int
level,
int
optname,
char
__user
*
optval,
int
__user
*
optlen);
int
(
*
sendmsg) (
struct
kiocb
*
iocb,
struct
socket
*
sock,
struct
msghdr
*
m, size_t total_len);
int
(
*
recvmsg) (
struct
kiocb
*
iocb,
struct
socket
*
sock,
struct
msghdr
*
m, size_t total_len,
int
flags);
int
(
*
mmap) (
struct
file
*
file,
struct
socket
*
sock,
struct
vm_area_struct
*
vma);
ssize_t (
*
sendpage) (
struct
socket
*
sock,
struct
page
*
page,
int
offset, size_t size,
int
flags);
};
一个
socket API
通过系统调用进入内核后，首先由
socket
层处理。
Socket
层找到对应的
struct socket
，通过它找到
struct proto_ops
，然后由它所指向的函数进行进一步处理。
以
sendmsg()
这个函数为例，从
user space
通过系统调用进入
kernel
后，由
sys_sendmsg()
、
sock_sendmsg()
依次处理，然后交给
struct proto_ops
的
sendmsg()
处理。
4.
传输层、网络层的主要数据结构
Socket
层之下，是具体的协议族。
对
INET
和
INET6
来说，又分为传输层和网络层。
这两层重要的数据结构有
struct sock
和
struct proto
。
4.1.
Struct sock
struct sock
定义于
include/net/sock.h
中，用于
INET
和
INET6
协议族。
应用层的
socket fd
，在
socket
层对应的是
struct socket
。
struct socket
很简单，并不做什么具体的事情，它通过
sk
域与一个
struct sock
关联。因此，对应用层的一个
socket fd
来说，在内核中对应的是一个
struct socket
加上一个
struct sock
结构，
struct socket
负责
socket
层的处理，
struct sock
负责传输层、网络层的处理。
在
2.4
内核中，这个结构非常杂乱，到
2.6
内核，对它做了简化，但仍然有很多成员。我们在这里不具体了解它的作用，只要知道它所处的层次即可。
4.2.
Struct proto
struct sock
通过
sk_prot
域指向
struct proto
结构。
proto {
void
(
*
close)(
struct
sock
*
sk,
long
timeout);
int
(
*
connect)(
struct
sock
*
sk,
struct
sockaddr
*
uaddr,
int
addr_len);
int
(
*
disconnect)(
struct
sock
*
sk,
int
flags);
struct
sock
*
(
*
accept) (
struct
sock
*
sk,
int
flags,
int
*
err);
int
(
*
ioctl)(
struct
sock
*
sk,
int
cmd,
unsigned
long
arg);
int
(
*
init)(
struct
sock
*
sk);
int
(
*
destroy)(
struct
sock
*
sk);
void
(
*
shutdown)(
struct
sock
*
sk,
int
how);
int
(
*
setsockopt)(
struct
sock
*
sk,
int
level,
int
optname,
char
__user
*
optval,
int
optlen);
int
(
*
getsockopt)(
struct
sock
*
sk,
int
level,
int
optname,
char
__user
*
optval,
int
__user
*
option);
int
(
*
sendmsg)(
struct
kiocb
*
iocb,
struct
sock
*
sk,
struct
msghdr
*
msg, size_t len);
int
(
*
recvmsg)(
struct
kiocb
*
iocb,
struct
sock
*
sk,