一般來說，使用套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程時，默認(rèn)使用linux內(nèi)核提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但是，現(xiàn)在我們自己在用戶空間構(gòu)建了一個tcp協(xié)議棧，并且讓它為其他應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這勢必要求我們自己實(shí)現(xiàn)一套新的套接字接口，并且提供給其他應(yīng)用程序指定使用。

但是，我們并不希望把該tcp協(xié)議棧封裝成動態(tài)庫的形式，因?yàn)檫@樣一來，應(yīng)用程序的編譯是必須要把庫一起連接進(jìn)去的。那么原生網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)的程序就不能基于我們tcp協(xié)議棧來運(yùn)行了。

一種較好的設(shè)計思路是，把tcp協(xié)議棧剝離出來作為一個獨(dú)立的組件來運(yùn)行，然后通過一個中間件，把網(wǎng)絡(luò)程序與tcp協(xié)議棧協(xié)同工作起來。這個中間件的主要工作就是負(fù)責(zé)偷龍換鳳，也就是把網(wǎng)絡(luò)程序中的內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)服務(wù)轉(zhuǎn)換成獨(dú)立運(yùn)行的tcp協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

核心思路：網(wǎng)絡(luò)程序(curl)+自定義套接字庫(liblevel.so)+tcp協(xié)議棧(level-ip)，如下圖：

curl小工具

curl是一種命令行工具，作用是發(fā)出網(wǎng)絡(luò)請求，然后得到和提取數(shù)據(jù)，顯示在"標(biāo)準(zhǔn)輸出"（stdout）上面。我們直接在curl命令后加上網(wǎng)址和端口，就可以看到網(wǎng)頁源碼。比如抓取www.sina.com網(wǎng)址：

curl www.sina.com 80

下面我們來看一個curl工具的簡易實(shí)現(xiàn),如下圖：

第3行：判斷目標(biāo)主機(jī)名是否合法

第11行：判斷目標(biāo)端口好是否合法

第16行：完成主機(jī)名到地址解析

第21行：使用socket申請一個套接字描述符

第23行：使用connect函數(shù)發(fā)起tcp連接

第30行：按照http 1.1協(xié)議來填充要發(fā)送的內(nèi)容，此處為http協(xié)議的get請求

第33行：調(diào)用write來發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

第41行：在while循環(huán)中重復(fù)接收服務(wù)器返回來的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，并且打印在當(dāng)前控制臺終端上。

這是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，使用gcc命令編譯后即可運(yùn)行。

gcc curl.c -o curl

liblevelip.so庫

level-ip腳本

liblevelip.so庫重新封裝了常用的socket套接字，并借助socket原生的本地套接字接口來與tcp協(xié)議棧(level-ip)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。以后在curl程序使用socket套接字時，優(yōu)先使用該庫的服務(wù)接口，而不是內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這是通過level-ip這個shell腳本完成的，具體命令如下：

./level-ip curl www.sina.com 80

我們來分析一下level-ip這個shell腳本的原理，如下圖：

第1行：執(zhí)行該shell腳本由/bin/sh程序來執(zhí)行。

第3行：指定腳本如果發(fā)生錯誤，或者遇到不存在的變量就報錯，并停止執(zhí)行。

第5行：保存腳本的第一個參數(shù)到prog變量中。

第6行：去掉一個參數(shù)，即原來的1,2,依此類推。

第8行：LD_PRELOAD是一個環(huán)境變量，其指定的動態(tài)庫加載等級最高。@表示第二個參數(shù)之后的全部參數(shù)。

綜上所述，我們就可以確定curl程序是優(yōu)先加載liblevelip.so庫來使用了，通過這種打樁技術(shù)，我們可以在加載階段替換部分系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用，比如我們常用的socket接口。

liblevelip.c文件

liblevelip.so庫由liblevellip.c文件編譯而來，該文件在tools文件夾中，我們逐步來分析一下這個c文件。

__libc_start_main函數(shù)

首先是__libc_start_main函數(shù)，該函數(shù)原本是glibc庫里面的函數(shù)，curl程序里面的main函數(shù)就是從這里開始被調(diào)用。但是我們在liblevelip.c里面實(shí)現(xiàn)了這個函數(shù)，并且liblevelip.so的庫加載順序優(yōu)先于glibc的動態(tài)庫加載。因此在執(zhí)行curl程序中的main函數(shù)之前，此函數(shù)先被執(zhí)行。如下圖：

第3行：dlsym函數(shù)里的第一個參數(shù)為RTLD_NEXT，這意味著我們將從其他動態(tài)庫去加載__libc_start_main函數(shù)符號(比如glibc庫)，然后把函數(shù)句柄賦值給__start_main變量。

第7~22行:從glibc庫中加載一部分linux系統(tǒng)原生提供的系統(tǒng)調(diào)用接口。因?yàn)槲覀兊木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)還是要依賴于一些更底層的系統(tǒng)調(diào)用接口的。

第24行：初始化一個鏈表節(jié)點(diǎn)lvlip_socks。

第26行：調(diào)用glibc的原生__libc_start_main接口。

socket函數(shù)

接下來就是liblevelip.so對外提供的第一個網(wǎng)絡(luò)編程接口--socket函數(shù)了。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

第3~5行：檢查網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議族是否為tcp協(xié)議，如果不是tcp協(xié)議，則調(diào)用內(nèi)核提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

第9行：借助tcp本地套接字接口，與tcp協(xié)議棧建立連接，用于通信的本地文件為/tmp/lvlip.socket

第11行：申請一個lvlip_sock類型的buff用于管理socket信息。結(jié)構(gòu)體類型如下：

struct lvlip_sock { struct list_head list; int lvlfd; /* For Level-IP IPC */ int fd;};

list成員變量為鏈表結(jié)點(diǎn)

lvlfd記錄與tcp協(xié)議棧通信的網(wǎng)絡(luò)文件描述符

fd記錄tcp協(xié)議棧的返回狀態(tài)發(fā)送socket消息給tcp協(xié)議棧第12行:記錄與tcp協(xié)議棧通信的網(wǎng)絡(luò)文件描述符到sock->lvlfd第13行：把這次的網(wǎng)絡(luò)通信消息加入lvlip_socks鏈表中第14行：網(wǎng)絡(luò)通信消息數(shù)量加1第16行：獲取當(dāng)前線程的pid號

第17~18行：申請ipc_msg+ipc_socket結(jié)構(gòu)體長度的buff，用于發(fā)送詳細(xì)的socket信息到tcp協(xié)議棧。結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct ipc_msg { uint16_t type; pid_t pid; uint8_t data[];} __attribute__((packed));

type:記錄此次socket信息的具體類型

pid：記錄請求網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的進(jìn)程pid號

data：存放具體的通信內(nèi)容

struct ipc_socket { int domain; int type; int protocol;} __attribute__((packed));

實(shí)際上就是soket函數(shù)的三個參數(shù)。

第23~29行：把ipc_socket作為通信的具體內(nèi)容填充到ipc_msg的data區(qū)域中去

第31行：調(diào)用transmit_lvlip()函數(shù)真正給tcp協(xié)議棧發(fā)送消息，并且等待協(xié)議棧的數(shù)據(jù)回復(fù)。

此處我們就把liblevelip.so中的socket函數(shù)給剖析清楚了，其他諸如close、connect、write、read、send、sendto、recv、此處我們就把liblevelip.so中的socket函數(shù)給剖析清楚了，其他諸如close、connect、write、read、send、sendto、recv、此處我們就把liblevelip.so中的socket函數(shù)給剖析清楚了，其他諸如close、connect、write、read、send、sendto、recv、recvfrom、poll、select等函數(shù)，原理都是一樣的，此處不再展開分析。

tcp協(xié)議棧(level-ip)

用戶空間的level-ip協(xié)議棧，在運(yùn)行之初，就已經(jīng)在main函數(shù)里面創(chuàng)建了一系列線程。如下圖：

其中第9行，在run_threads()函數(shù)里創(chuàng)建了一系列線程，如下圖：

在這里，我們重點(diǎn)關(guān)注第5行創(chuàng)建的start_ipc_listener線程

該線程的實(shí)現(xiàn)如下：

第5行：指定tcp本地通信的路徑文件為"/tmp/lvlip.socket",與我們前面liblevelip.so庫的本地通信文件一致，這就說明它們之間確實(shí)是通過tco本地通信接口來通信的

第10行：調(diào)用socket接口開始進(jìn)行tcp本地通信

第24行：調(diào)用bind函數(shù)綁定本地通信路徑

第31行：調(diào)用listen函數(shù)監(jiān)聽指定端口，等待liblevelip.so庫發(fā)起連接

第46行：如果liblevelip.so庫發(fā)起連接，則調(diào)用accept函數(shù)準(zhǔn)備開始收發(fā)信息。

第54行：每監(jiān)聽到一個新的連接，新創(chuàng)建一個socket_ipc_open函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的具體收發(fā)。

socket_ipc_open函數(shù)主要是負(fù)責(zé)通信信息的讀取，然后根據(jù)通信消息的類型不同，來進(jìn)一步調(diào)用具體的處理函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)如下：

第7行：調(diào)用read函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取

第8行：調(diào)用具體指令的回調(diào)信息

demux_ipc_socket_call的函數(shù)非常簡單，實(shí)現(xiàn)如下：

前面我們在liblevelip.so庫中調(diào)用socket()函數(shù)的時候，發(fā)送的消息類型為IPC_SOCKET，所以在此處我們進(jìn)一步分析ipc_socket()這個函數(shù)。

它的具體實(shí)現(xiàn)如下：

我們重點(diǎn)是關(guān)注第7行的_socket函數(shù)，該函數(shù)就是tcp協(xié)議棧的核心接口之一了，它是整個tcp協(xié)議棧的真正入口，我們以后再來專門分析這個接口。然后第9行，ipc_write函數(shù)負(fù)責(zé)把tcp協(xié)議棧的處理結(jié)果返回給liblevelip.so庫，代碼較為簡單，此處不再分析。

原文標(biāo)題：Linux系統(tǒng)中間件的巧妙實(shí)現(xiàn)--以用戶空間的tcp協(xié)議棧為例

文章出處：【微信公眾號：FPGA之家】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq