【Linux 内核网络协议栈源码剖析】sendto 函数剖析

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前面介绍的函数基本上都是TCP协议的，如listen，connect，accept 等函数，这都是为可靠传输协议TCP定制的。对于另一个不可靠udp协议（通信系统其可靠性交由上层应用层负责），则主要由两个函数完成，sendto 和 recvfrom 函数。这里先介绍 sendto 函数。

说明：sendto 和 recvfrom 函数不限于udp协议，这里只是udp协议当中是采用这两个函数实现的，所以就放在udp协议中介绍。

对于 udp 协议的介绍和编程实现请参考下文：​​UDP 客户/服务器简单 Socket 程序​​

简要介绍下UDP数据报格式，相比TCP数据报格式，实在是简洁不少。

                                  

上面的各个字段含义一目了然（上面是16是表示该字段占16bit，udp头部占8字节），其中长度指的是此 UDP 数据报的长度（包括 UDP 数据报头部和 “数据” 部分）。

一、应用层——sendto 函数

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1. #include <sys/socket.h>
2. ssize_t sendto(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,
3. const struct sockaddr *to, socklen_t *addrlen);
4. //若成功则返回写的字节数，出错则返回-1
5. /*参数解析
6. 前面三个参数分别表示：套接字描述符，指向写出缓冲区的指针和写字节数。
7. to：指向一个含有数据报接收者的协议地址（如IP地址和端口号）的套接字地址结构，其大小由addrlen参数指定
8. */

该函数的作用是：向指定端口发送给定地址中的指定大小数据（如客户端sockfd，向 to 指定的远端套接字发送buff 缓冲区内nbytes 个字节数据）

二、BSD Socket层——sock_sendto 函数

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1. /*
2. *  Send a datagram to a given address. We move the address into kernel
3. *  space and check the user space data area is readable before invoking
4. *  the protocol.
5. */
6. //发送数据给指定的远端地址，主要用于UDP协议
7. //前面三个参数分别表示套接口描述字、指向缓冲区的指针和读写字节数
8. //addr指向一个含有数据包接收者的协议地址(含ip地址和端口号)的套接口地址结构
9. //其大小由addr_len参数指定
10. //该函数的作用就是向指定地址的远端发送数据包：将buff缓冲区中len大小的数据发送给addr指定的远端套接字
11. static int sock_sendto(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,
12. struct sockaddr *addr, int addr_len)
13. {
14. struct socket *sock;
15. struct file *file;
16. char address[MAX_SOCK_ADDR];
17. int err;
18. //参数有效性检查
19. if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))
20. return(-EBADF);
21. //找到给定文件描述符对应的socket结构
22. if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL)))
23. return(-ENOTSOCK);
24. if(len<0)
25. return -EINVAL;
26. //检查权限，buff中len个字节区域是否可读
27. err=verify_area(VERIFY_READ,buff,len);
28. if(err)
29. return err;
30. //从addr拷贝addr_len大小的数据到address
31. if((err=move_addr_to_kernel(addr,addr_len,address))<0)
32. return err;
33. //调用下层函数sendto,inet域为inet_sendto函数
34. return(sock->ops->sendto(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),
35. flags, (struct sockaddr *)address, addr_len));
36. }

三、INET Socket层——inet_sendto 函数

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1. //INET socket层
2. tatic int inet_sendto(struct socket *sock, void *ubuf, int size, int noblock,
3. unsigned flags, struct sockaddr *sin, int addr_len)
4. //得到socket对应的sock结构
5. struct sock *sk = (struct sock *) sock->data;
6. //判断该套接字的有效性，是否处于关闭状态(半关闭)
7. if (sk->shutdown & SEND_SHUTDOWN)
8. {
9. send_sig(SIGPIPE, current, 1);
10. return(-EPIPE);
11. }
12. if (sk->prot->sendto == NULL)
13. return(-EOPNOTSUPP);
14. if(sk->err)
15. return inet_error(sk);
16. /* We may need to bind the socket. */
17. //自动绑定一个本地端口号
18. if(inet_autobind(sk)!=0)
19. return -EAGAIN;
20. //调用下层传输层函数udp_sendto函数
21. return(sk->prot->sendto(sk, (unsigned char *) ubuf, size, noblock, flags,
22. (struct sockaddr_in *)sin, addr_len));

四、传输层

udp_sento 函数

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1. static int udp_sendto(struct sock *sk, unsigned char *from, int len, int noblock,
2. unsigned flags, struct sockaddr_in *usin, int addr_len)
3. {
4. struct sockaddr_in sin;
5. int tmp;
6. /*
7. *  Check the flags. We support no flags for UDP sending
8. */
9. //udp除了MSG_DONTROUTE外，不支持任何其他标志位
10. if (flags&~MSG_DONTROUTE)
11. return(-EINVAL);
12. /*
13. *  Get and verify the address.
14. */
15. //对远端地址的合法性检查，由于不涉及网络数据传送，所以无法验证这个地址存在性
16. if (usin)
17. {
18. //如果明确指定远端地址，就直接检查该地址的有效性
19. if (addr_len < sizeof(sin)) //大小
20. return(-EINVAL);
21. memcpy(&sin,usin,sizeof(sin));
22. if (sin.sin_family && sin.sin_family != AF_INET) //本地地址有效性
23. return(-EINVAL);
24. if (sin.sin_port == 0) //端口号有效性
25. return(-EINVAL);
26. }
27. else
28. {
29. //如果没有明确指定远端地址，则检查之前是否调用了connect函数进行了地址绑定
30. if (sk->state != TCP_ESTABLISHED)
31. return(-EINVAL);
32. //如果进行了绑定，则将远端地址设置为这个绑定的地址
33. sin.sin_family = AF_INET;
34. sin.sin_port = sk->dummy_th.dest;
35. sin.sin_addr.s_addr = sk->daddr;
36. }
37. /*
38. *  BSD socket semantics. You must set SO_BROADCAST to permit
39. *  broadcasting of data.
40. */
41. //处理尚未指定本地地址的情况
42. if(sin.sin_addr.s_addr==INADDR_ANY)
43. sin.sin_addr.s_addr=ip_my_addr();
44. //处理广播的情况
45. if(!sk->broadcast && ip_chk_addr(sin.sin_addr.s_addr)==IS_BROADCAST)
46. return -EACCES;         /* Must turn broadcast on first */
47. sk->inuse = 1;//加锁
48. /* Send the packet. */
49. //转调用udp_send函数
50. tmp = udp_send(sk, &sin, from, len, flags);
51. /* The datagram has been sent off.  Release the socket. */
52. //数据包以发送，释放该套接字，前面介绍到这个函数的两个功能
53. //取决于sk_dead字段是否设置
54. release_sock(sk);
55. return(tmp);
56. }

udp_send 函数

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1. //根据被调用出清楚参数情况
2. static int udp_send(struct sock *sk, struct sockaddr_in *sin,
3. unsigned char *from, int len, int rt)
4. {
5. struct sk_buff *skb;
6. struct device *dev;
7. struct udphdr *uh;
8. unsigned char *buff;
9. unsigned long saddr;
10. int size, tmp;
11. int ttl;
12. /*
13. *  Allocate an sk_buff copy of the packet.
14. */
15. //计算所需要分配的封装数据的缓冲区大小
16. size = sk->prot->max_header + len;
17. //分配指定大小的sk_buff 结构用于封装数据
18. skb = sock_alloc_send_skb(sk, size, 0, &tmp);
19. if (skb == NULL)
20. return tmp;
21. skb->sk       = NULL;    /* to avoid changing sk->saddr */
22. skb->free     = 1;//发送完后数据包立即释放，udp不提供超时重传
23. skb->localroute = sk->localroute|(rt&MSG_DONTROUTE);//指定路由类型
24. /*
25. *  Now build the IP and MAC header.
26. */
27. buff = skb->data;//udp首部和有效负载
28. saddr = sk->saddr;//本地地址
29. dev = NULL;
30. ttl = sk->ip_ttl;
31. #ifdef CONFIG_IP_MULTICAST
32. //如果目的地址是多播，则设置TTL值为1，表示局限于本地网络，不可跨越路由器
33. if (MULTICAST(sin->sin_addr.s_addr))
34. ttl = sk->ip_mc_ttl;
35. #endif
36. //创建MAC首部和IP首部
37. tmp = sk->prot->build_header(skb, saddr, sin->sin_addr.s_addr,
38. &dev, IPPROTO_UDP, sk->opt, skb->mem_len,sk->ip_tos,ttl);
39. skb->sk=sk;//关联  /* So memory is freed correctly */
40. /*
41. *  Unable to put a header on the packet.
42. */
43. if (tmp < 0 ) //创建失败
44. {
45. sk->prot->wfree(sk, skb->mem_addr, skb->mem_len);
46. return(tmp);
47. }
48. buff += tmp;//定位到udp首部位置
49. saddr = skb->saddr; /*dev->pa_addr;*/
50. //数据报sk_buff中挂载的数据部分长度:下面注释，len是有效数据负载长度
51. skb->len = tmp + sizeof(struct udphdr) + len;    /* len + UDP + IP + MAC */
52. skb->dev = dev;//网络接口设备
53. /*
54. *  Fill in the UDP header.
55. */
56. //udp首部字段的初始化
57. uh = (struct udphdr *) buff;
58. uh->len = htons(len + sizeof(struct udphdr));//长度字段
59. uh->source = sk->dummy_th.source;//源端端口，sk中tcp首部字段
60. uh->dest = sin->sin_port;//目的端口
61. buff = (unsigned char *) (uh + 1);//定位到数据部分
62. //MAC header | IP Header | UDP Header | Data
63. //uh本身已经指向了udp首地址，uh+1，表示后移一个udp首部大小位置，定位到了数据负载
64. /*
65. *  Copy the user data.
66. */
67. //从from拷贝len大小的数据到buff，即把应用层中待发送的缓冲区的数据拷贝到数据包的数据负载中
68. //然后通过数据包整体打包发送出去。
69. //就好比货物搭上了货轮开往目的地，为啥不是火车呢，因为火车线路已经固定好了，只能这么走。
70. memcpy_fromfs(buff, from, len);
71. /*
72. *  Set up the UDP checksum.
73. */
74. //同tcp，这里进行udp校验和检查
75. udp_send_check(uh, saddr, sin->sin_addr.s_addr, skb->len - tmp, sk);
76. /*
77. *  Send the datagram to the interface.
78. */
79. udp_statistics.UdpOutDatagrams++;
80. //调用ip_queue_xmit函数将数据包发往网络层模块处理。以下处理就和TCP协议一样了，二者的差异只在于传输层
81. //该函数以及更下层数据传送前面已经介绍，
82. sk->prot->queue_xmit(sk, dev, skb, 1);
83. return(len);
84. }

关于ip_queue_xmit 函数的介绍以及更下层的数据传送，参见博文：​​【Linux 内核网络协议栈源码剖析】数据包发送​​

可以看出，udp是一种无连接传输层协议，不像tcp那样需要服务器监听，也不必等待客户端与服务器建立连接后才能通信，效率优于tcp协议，但udp则不能保证数据传输的可靠性。

udp 的数据传输，实现并不像tcp那样要建立一条数据传输通道，而是直接创建套接字后，直接传送数据到给定的远端（提供远端地址），数据传送过程无超时重传和序列号校验工作，适用于数据传输的连续性比数据的完整性更重要的场合，允许数据在传输过程中有部分丢失，如IP电话、流媒体通信等。