通过 Linux API 学习网络协议栈（一）概览

系列说明

本系列文章面对的读者是互联网应用后端开发者，互联网应用后端一般具有如下特点：

• 可以感知到的网络协议栈的最底层的一般是 IP 协议；
• 互联网应用后端程序一般运行在 Linux 中。

此外网络协议栈是分层的，每一层都是基于上一层之上的实现的。

因此，本系列将：

• 从 IP 协议开始学习/复习网络协议栈；
• 通过某协议的下层协议（对应的 Linux API），编写代码，实现某协议的方式实战化化的学习/复习网络协议栈；
• 介绍 Linux 平台上某协议的标准 API（系统调用/命令行工具/设备等），以及常见的应用场景和操作。

实验代码

github: rectcircle/linux-internet-proto-learn

Linux Socket API 概述

手册： socket(2)

在计算机网络方面，有多套模型：

• 实践上，Socket 编程模型；
• 理论上，TCP/IP 四层网络模型 和 OSI 七层网络模型。

本部分先介绍在 Linux 中 Socket 编程模型，最后再介绍，编程模型和网络模型的对应关系。

Linux 网络 API 采用的是 BSD 的 Socket 模型。Socket 模型支持 TCP/IP 模型的网络访问层（Mac 数据帧）、网际层（IP 数据包）、传输层（TCP / UDP）。

创建 Socket

#include <sys/socket.h>

// 创建 socket https://man7.org/linux/man-pages/man2/socket.2.html
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明

• domain，即 communication domain 通讯域，表示使用的协议族。从网络模型角度看，该参数用于选择网际层协议，即该 Socket 是通过 IPv4 还是 IPv6 等来进行通讯的。常见的可选值为：
  • AF_UNIX，Unix Domain Socket；
  • AF_INET，IPv4 Only；
  • AF_INET6，IPv6 Only 或 IPv4 / IPv6 双栈（默认值为 /proc/sys/net/ipv6/bindv6only，通过 setsockopt 手动修改）；
  • AF_PACKET，直接面向数据链路层 Packet 原始数据。（本系列可能不会涉及）
• type，即 Socket 的类型，表示收发数据的特点，会影响操作 Socket 时的系统调用，该参数有如下可能性：
  • 选择该 Socket 最终使用的网络模型的传输层协议：
    • SOCK_STREAM 流式，表示可靠的连接，对应的 protocol 为 TCP；
    • SOCK_DGRAM 数据报，表示不可靠消息，对应的 protocol 为 UDP。
  • 该参数也可以用于指定该 Socket 收发底层数据：
    • SOCK_RAW 提供原始网络协议访问；
    • SOCK_PACKET 已过时，需使用 type = AF_PACKET 替代。
  • 该参数可以 | 原酸用来配置文件描述符的一些特性；
    • SOCK_NONBLOCK 设置该文件描述符是非阻塞 IO。
    • SOCK_CLOEXEC 表示该文件描述符在 fork-exec 后关闭
• protocol，即 Socket 的具体网络协议，一般情况下设置为 0，表示根据 type 选择一个默认协议。具体可选值说明参见：protocols(5)

最后，该函数将返回一个 socket 文件描述符。

Socket 选项

#include <sys/socket.h>

// 设置/获取 socket 的一些选项 https://man7.org/linux/man-pages/man2/setsockopt.2.html
int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                void *restrict optval, socklen_t *restrict optlen);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                const void *optval, socklen_t optlen);

比如手动指定一个 IPv6 TCP Socket 同时支持 IPv4：

#include <sys/socket.h>

int tcp6_socket = socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, 0);
int ipv6_only_flag = 0;
setsockopt(tcp6_socket, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY, (void *)&ipv6_only_flag, sizeof(ipv6_only_flag));

操作 Socket

socket 创建出来后，我们就可以通过想过 API 将该 Socket 连接/绑定到一个地址，然后就可以收发数据了。

不同 type 的 socket 模型中，对应的操作 API 是不同的。

• SOCK_STREAM 即 TCP 协议 的 Socket，可以使用的常见的系统调用为：
  • connect(2) 连接到 server
  • bind(2) 绑定地址
  • accept(2) 等待连接
  • write(2)、send(2) 发送数据
  • read(2)、recv(2) 接收数据
• SOCK_DGRAM 即 UDP 协议 的 Socket 和 SOCK_RAW 即 原始 Socket，可以使用的常见的系统调用为：
  • sendto(2)
  • recvfrom(2)
• SOCK_PACKET 即 数据链路层 Socket，可用的系统调用参见： packet(7)

对应表