Linux内核协议栈（5）跟踪bind系统调用

在调用socket成功返回后，我们得到与socket关联的文件描述符。然后我们以该描述符和sockaddr地址结构对象为参数调用bind，就实现了socket对象地址的绑定。那这个绑定到底是个什么意思？这个绑定操作是必须吗？绑定操作之后，socket对象又发生了什么？也许还有更多的疑问，我们什么协议栈的源码寻找答案。先贴上bind系统调用的源码：

SYSCALL_DEFINE3(bind, int, fd, struct sockaddr __user *, umyaddr, int, addrlen)
{
struct socket *sock;
struct sockaddr_storage address;
int err, fput_needed;

    /* 通过文件描述符fd，找到对应的socket。 
     * 以fd为索引从当前进程的文件描述符表files_struct中找到对应的file实例， 
     * 然后从file实例的private_data成员中获取socket实例。 
     */ 
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);//通过fd找到file，进而找到sock
if (sock) {
err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, (struct sockaddr *)&address);//将地址从用户空间拷贝到内核空间
if (err >= 0) {
err = security_socket_bind(sock,//安全方面地东西我们不解释
   (struct sockaddr *)&address,
   addrlen);
if (!err)
err = sock->ops->bind(sock,
      (struct sockaddr *)
      &address, addrlen);
}
fput_light(sock->file, fput_needed);
}
return err;
}

通过传入的文件描述符，我们找到对应的socket对象，如何找到的，可以参看系列文章“附2”，这里不详解。接着将包含地址信息的sockaddr对象从用户空间拷贝到内核空间，接着是安全方面的东西，接着就是我们关注的重点：

if (!err)
err = sock->ops->bind(sock,
(struct sockaddr *)
 &address, addrlen);

通过系列文章《Linux内核协议栈（3）刨根问底socket调用》我们知道实际调用的是协议对应的bind函数。我以udp协议为例子：

static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
{
.type =       SOCK_STREAM,
.protocol =   IPPROTO_TCP,
.prot =       &tcp_prot,
.ops =        &inet_stream_ops,
.capability = -1,
.no_check =   0,
.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
      INET_PROTOSW_ICSK,
},

{
.type =       SOCK_DGRAM,
.protocol =   IPPROTO_UDP,
.prot =       &udp_prot,  //协议描述块
.ops =        &inet_dgram_ops,//协议相关额socket操作函数级
.capability = -1,
.no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },


       {
       .type =       SOCK_RAW,
       .protocol =   IPPROTO_IP,/* wild card */
       .prot =       &raw_prot,
       .ops =        &inet_sockraw_ops,
       .capability = CAP_NET_RAW,
       .no_check =   UDP_CSUM_DEFAULT,
       .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

而inet_dgram_ops的详细定义为：

const struct proto_ops inet_dgram_ops = {
.family   = PF_INET,
.owner   = THIS_MODULE,
.release   = inet_release,
.bind   = inet_bind,
.connect   = inet_dgram_connect,
.socketpair   = sock_no_socketpair,
.accept   = sock_no_accept,
.getname   = inet_getname,
.poll   = udp_poll,
.ioctl   = inet_ioctl,
.listen   = sock_no_listen,
.shutdown   = inet_shutdown,
.setsockopt   = sock_common_setsockopt,
.getsockopt   = sock_common_getsockopt,
.sendmsg   = inet_sendmsg,
.recvmsg   = sock_common_recvmsg,
.mmap   = sock_no_mmap,
.sendpage   = inet_sendpage,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_setsockopt = compat_sock_common_setsockopt,
.compat_getsockopt = compat_sock_common_getsockopt,
#endif
};

可知sock->ops->bind实际调用的是inet_bind，我们分析下该函数：

/*
*
*所谓绑定就是设置inet_sock结构
*
*
*/
int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *)uaddr;
struct sock *sk = sock->sk;/* 传输层实例 */  
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);/* INET实例 */  
unsigned short snum; /* 要绑定的端口 */  
int chk_addr_ret;/* IP地址类型 */ 
int err;

/* If the socket has its own bind function then use it. (RAW) */
if (sk->sk_prot->bind) {
err = sk->sk_prot->bind(sk, uaddr, addr_len);//网络层协议本身的bind函数,tcp/udp都没有提供该函数,在op中赋值为inet_bind
goto out;
}
err = -EINVAL;
if (addr_len < sizeof(struct sockaddr_in))//检查长度合法性
goto out;

 /* 在路由中检查IP地址类型，单播、多播还是广播 */  
chk_addr_ret = inet_addr_type(sock_net(sk), addr->sin_addr.s_addr);//???

/* Not specified by any standard per-se, however it breaks too
 * many applications when removed.  It is unfortunate since
 * allowing applications to make a non-local bind solves
 * several problems with systems using dynamic addressing.
 * (ie. your servers still start up even if your ISDN link
 *  is temporarily down)
 */

/*
* sysctl_ip_nonlocal_bind表示是否允许绑定非本地的IP地址。 
* inet->freebind表示是否允许绑定非主机地址。
* 这里需要允许绑定非本地地址，除非是发送给自己、多播或广播。 
*/
err = -EADDRNOTAVAIL;
if (!sysctl_ip_nonlocal_bind &&
    !(inet->freebind || inet->transparent) &&
    addr->sin_addr.s_addr != htonl(INADDR_ANY) &&
    chk_addr_ret != RTN_LOCAL &&
    chk_addr_ret != RTN_MULTICAST &&
    chk_addr_ret != RTN_BROADCAST)
goto out;


snum = ntohs(addr->sin_port);//端口号
err = -EACCES;
if (snum && snum < PROT_SOCK && !capable(CAP_NET_BIND_SERVICE))//超级用户才可绑定1-1023端口
goto out;

/*      We keep a pair of addresses. rcv_saddr is the one
 *      used by hash lookups, and saddr is used for transmit.
 *
 *      In the BSD API these are the same except where it
 *      would be illegal to use them (multicast/broadcast) in
 *      which case the sending device address is used.
 */
lock_sock(sk);

/* Check these errors (active socket, double bind). */
err = -EINVAL;

/* Check these errors (active socket, double bind).  
     * 如果套接字不在初始状态TCP_CLOSE，或者已经绑定端口了，则出错。 
     * 一个socket最多可以绑定一个端口，而一个端口则可能被多个socket共用。 
     */  
if (sk->sk_state != TCP_CLOSE || inet->num)
goto out_release_sock;

inet->rcv_saddr = inet->saddr = addr->sin_addr.s_addr;
if (chk_addr_ret == RTN_MULTICAST || chk_addr_ret == RTN_BROADCAST)
inet->saddr = 0;  /* Use device */

    /* Make sure we are allowed to bind here. 
     * 如果使用的是TCP，则sk_prot为tcp_prot，get_port为inet_csk_get_port() 
     * 端口可用的话返回0。 
     */ 

if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {/*-------->将sk加入哈希表*/ udp_v4_get_port --> udp_lib_get_port inetsw_array
inet->saddr = inet->rcv_saddr = 0;
err = -EADDRINUSE;
goto out_release_sock;
}

 /* inet_rcv_saddr表示绑定的地址，接收数据时用于查找socket */  
if (inet->rcv_saddr)
sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDADDR_LOCK;/* 表示绑定了本地地址 */  
if (snum)
sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDPORT_LOCK;/* 绑定端口 */  
inet->sport = htons(inet->num);
inet->daddr = 0;
inet->dport = 0;
sk_dst_reset(sk);
err = 0;
out_release_sock:
release_sock(sk);
out:
return err;
}

分析该函数，我们发现如果协议本身有bind函数，会执行协议的bind函数然后调到函数结尾返回；如果协议本身没有定义bind函数则往下执行。查看udp的协议描述块，我们没有发现有bind函数，所以if内的代码时没有执行的，而是往下执行。

udp的协议描述块如下（注意字段udp_table）：

struct proto udp_prot = {
.name   = "UDP",
.owner   = THIS_MODULE,
.close   = udp_lib_close,
.connect   = ip4_datagram_connect,
.disconnect   = udp_disconnect,
.ioctl   = udp_ioctl,
.destroy   = udp_destroy_sock,
.setsockopt   = udp_setsockopt,
.getsockopt   = udp_getsockopt,
.sendmsg   = udp_sendmsg,
.recvmsg   = udp_recvmsg,
.sendpage   = udp_sendpage,
.backlog_rcv   = __udp_queue_rcv_skb,
.hash   = udp_lib_hash,
.unhash   = udp_lib_unhash,
.get_port   = udp_v4_get_port,
.memory_allocated  = &udp_memory_allocated,
.sysctl_mem   = sysctl_udp_mem,
.sysctl_wmem   = &sysctl_udp_wmem_min,
.sysctl_rmem   = &sysctl_udp_rmem_min,
.obj_size   = sizeof(struct udp_sock),
.slab_flags   = SLAB_DESTROY_BY_RCU,
.h.udp_table   = &udp_table,//全局链表头，注意该字段
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_setsockopt = compat_udp_setsockopt,
.compat_getsockopt = compat_udp_getsockopt,
#endif
};

if (sk->sk_prot->bind) {
err = sk->sk_prot->bind(sk, uaddr, addr_len);
goto out;
}

往下的代码主要是地址信息合法性检查，还有inet_sock对象的设置（实际上是udp_sock对象中的inetd对象——查看udp_sock定义，可知udp_sock中包含一个inet_sock对象），申请端口等。留意端口申请代码：

if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {/*->将sock对象加入哈希表udp_table*/ udp_v4_get_port --> udp_lib_get_port inetsw_array
inet->saddr = inet->rcv_saddr = 0;
err = -EADDRINUSE;
goto out_release_sock;
}

查看协议描述块可知，实际上调用的是udp_lib_get_port，

详细代码注释可见《Linux内核协议栈（附3）udp_lib_get_port函数》

该函数除了得到可用的端口外，主要作用是将sock对象加入udp_table哈希表。我们知道哈希表可以加快搜索的速度，这用于在数据接收过程中。在数据接收过程中，我们接收发往本机的数据报，根据是目的IP。但是系统中有很多进程，很多socket连接，并不知道数据是要给哪个进程的。通过端口号和哈希表快速定位接收数据的sock，然后将数据放到sock的接收队列中，等待用户线程取数据，这样完成了一次网络通信。

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