Socket与系统调用深度分析

学习一下对Socket与系统调用的分析分析

1、介绍

咱们都知道高级语言的网络编程最终的实现都是调用了系统的Socket API编程接口，在操做系统提供的socket系统接口之上能够创建不一样端口之间的网络链接，从而使咱们能够编写各基于不一样网络协议的应用程序。而用户程序通常都是运行在用户态，依靠的Socket接口也是在在用户态，咱们都知道socket接口是经过系统调用机制进入内核，从而从内核的层面提升服务。本次实验主要须要分析出socketAPI函数是如何进行系统调用的。

首先咱们再明确一下系统调用和socketAPI之间的关系：也就是说系统调用是使得API能得到内核支持的途径。

 

 

 

 2、实验步骤

首先从参考了大佬的博客以后获悉，在linux系统中，与socket API有关的系统调用包括全部的与socketapi都使用的sys_socketcall系统调用和每个socketapi都对应特定的系统调用，所以我主要经过这两类来进行分析。

一、首先使用gdb链接menu系统，这个系统是上次实验制做的简易系统

注意：这里须要先用下面的命令启动tcp server，不然会显示链接超时

 

执行 qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -append  nokaslr -s -S

 

而后新开一个终端，打开gdb，而且使用target链接上menu系统

gdb file ~/net/linux-5.0.1/vmlinux target remote:1234

链接之后就能够打断点进行调试了。

 

二、对特殊的系统调用进行测试：给sys_bind和sys_listen分析

 

 

 接着按c即继续运行程序，此时menu系统继续启动。

 

 

 

根据提示，输入replyhi之后，发现gdb的终端以下所示：

说明并无停在断点，也就是使用replyhi的时候并无调用sys_listen和sys_bind这两个内核函数。

 

 

 三、接下来对全部socketapi都使用的sys_socketcall系统调用进行测试，使用 b sys_socketcall打断点，接着按c继续执行

 

 

 而后在mune系统进行测试，输入replyhi之后，发现gdb终端有反馈了，以下所示：

说明停在了SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args)，也就是此时使用了这个内核函数

 

查看源码以下：

 

 下面咱们简单分析一下这个函数：发现这段c语言很大一部分都是switch语句，说明这个函数的主要做用是根据不一样的输入来选择不一样的操做，调用不一样的内核处理函数，传入是SYS_BIND则调用__sys_bind,传入SYS_LISTEN则调用 __sys_listen等内核函数进行相应的处理。

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) { case SYS_SOCKET: 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; }

此时咱们查看一下replyhi的源码，看看到底是如何调用的。

从下面的程序能够看到，replyhi调用其余函数的顺序InitializeService，ServiceStart，RecvMsg，SendMsg、ServiceStop。

 

 

 接下来咱们须要作的是找出InitializeService，ServiceStart，RecvMsg，SendMsg和ServiceStop，看看这些函数是如何使用内核处理函数的。

（1）首先是InitializeService，能够看到这个函数的主要就是调用了 PrepareSocket(IP_ADDR,PORT)和 InitServer()

 

 

 因此只能继续追踪，首先看 PrepareSocket(IP_ADDR,PORT)，能够看到这个函数的主要做用是分配内存空间，并调用socket函数，建立套接字

 

 

 接着是InitServer()函数，从程序中看到这个函数的主要做用调用bind函数，服务器使用bind来指明熟知的端口号，而后等待链接
并进行监听

 

 因此InitializeService函数主要做用在于创建socket，绑定socket并进行端口的监听。

（2）ServiceStart函数，显然，这个函数的做用只是调用accept，获取传入链接请求。

 

 （3） SendMsg，顾名思义，这个函数主要就是进行信息的发送，依靠的内核函数是send函数

 

 （4）RecvMsg 这个函数主要就是进行信息的接受，依靠的内核函数是recv函数

 

 

 

（5）ServiceStop，这个函数很简单，就是调用close函数进行撤销套接字，结束当前的链接。

 

 至此，咱们终于分析完了replyhi这个函数是如何依靠socketAPI以及内核服务程序进行网络通讯的。

回顾总结一下：

reply函数经过调用InitializeService，ServiceStart，RecvMsg，SendMsg、ServiceStop子函数，这些函数进行的系统调用分别是socket、bind、accept、recv、send、close。而后在内核的sockct函数中，经过传入的系统调用，使用switch语句调用不一样的内核处理函数，完成网络通讯。

3、总结

此次的实验确实挺难的，作了好久，也只是作出了点皮毛，可是经过这个实现，进一步了解了linux内核网络通讯部分的机制，对写内核的人更加钦佩，只能说，大佬太强了！！！

实验过程参考同窗博客：https://www.cnblogs.com/hhssqq9999/p/12048964.html

 

 

 

原文出处：https://www.cnblogs.com/iyuanyuan/p/12069677.html