如何深入理解TCP/IP协议的bind实现

按照socket网络编程的顺序，我们这一篇来分析bind函数。我们通过socket函数拿到了一个socket结构体。bind函数的逻辑其实比较简单，他就是给socket结构体绑定一个地址，简单来说，就是给他的某些字段赋值。talk is cheap。show me the code。

static int sock_bind(int fd, struct sockaddr *umyaddr, int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    int i;
    char address[MAX_SOCK_ADDR];
    int err;

    // 通过文件描述符找到对应的socket   
    if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL))) 
        return(-ENOTSOCK);

    if((err=move_addr_to_kernel(umyaddr,addrlen,address))<0)
        return err;

    if ((i = sock->ops->bind(sock, (struct sockaddr *)address, addrlen)) < 0) 
    {
        return(i);
    }
    return(0);
}

主要是两个函数，我们一个个来。

1 sockfd_lookup

通过之前一些文章的分析，我们应该数socket和文件的内存布局比较熟悉了。下面的代码不难理解。就是根据文件描述符从pcb中找到inode节点。因为inode节点里保存了socket结构体，所以最后返回fd对应的socke结构体就行。

// 通过fd找到file结构体，从而找到inode节点，最后找到socket结构体
static inline struct socket *sockfd_lookup(int fd, struct file **pfile)
{
    struct file *file;
    struct inode *inode;

    if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || !(file = current->files->fd[fd])) 
        return NULL;

    inode = file->f_inode;
    if (!inode || !inode->i_sock)
        return NULL;

    if (pfile) 
        *pfile = file;

    return socki_lookup(inode);
}

// inode和socket互相引用
inline struct socket *socki_lookup(struct inode *inode)
{
    return &inode->u.socket_i;
}

2 sock->ops->bind
我们回顾socket那篇文章可以知道socket结构体里保存了一些列的操作函数，假设是协议簇是ipv4，那么bind函数就是inet_bind函数（省略了部分代码）。

// 给socket绑定一个地址
static int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
           int addr_len)
{
    struct sockaddr_in *addr=(struct sockaddr_in *)uaddr;
    // 拿到底层的sock结构体
    struct sock *sk=(struct sock *)sock->data, *sk2;
    unsigned short snum = 0 /* Stoopid compiler.. this IS ok */;
    int chk_addr_ret;

    // raw协议的这些数据由用户填充  
    if(sock->type != SOCK_RAW)
    {   // 已经绑定了端口
        if (sk->num != 0) 
            return(-EINVAL);

        snum = ntohs(addr->sin_port);

        // 端口无效则随机获取一个非root才能使用的端口
        if (snum == 0) 
        {
            snum = get_new_socknum(sk->prot, 0);
        }
        // 小于1024的端口需要超级用户权限
        if (snum < PROT_SOCK && !suser()) 
            return(-EACCES);
    }
    // 判断ip
    chk_addr_ret = ip_chk_addr(addr->sin_addr.s_addr);
    // 非法地址
    if (addr->sin_addr.s_addr != 0 && chk_addr_ret != IS_MYADDR && chk_addr_ret != IS_MULTICAST)
        return(-EADDRNOTAVAIL); /* Source address MUST be ours! */
     // 记录ip    
    if (chk_addr_ret || addr->sin_addr.s_addr == 0)
        sk->saddr = addr->sin_addr.s_addr;
    if(sock->type != SOCK_RAW)
    {
        /* Make sure we are allowed to bind here. */
        cli();
        // 遍历哈希表，哈希表冲突解决法是链地址法，校验绑定的端口的合法性
        for(sk2 = sk->prot->sock_array[snum & (SOCK_ARRAY_SIZE -1)];
                    sk2 != NULL; sk2 = sk2->next) 
        {
            // 端口还没有绑定过，直接校验下一个
            if (sk2->num != snum) 
                continue;
            // 端口已经被使用，没有设置可重用标记，比如断开连接后在2msl内是否可以重用，通过setsockopt函数设置
            if (!sk->reuse)
            {
                sti();
                return(-EADDRINUSE);
            }
            // 端口一样，但是ip不一样，ok，下一个
            if (sk2->saddr != sk->saddr) 
                continue;   /* socket per slot ! -FB */
            // 端口和ip都一样。被监听的端口不能同时被使用
            if (!sk2->reuse || sk2->state==TCP_LISTEN) 
            {
                sti();
                return(-EADDRINUSE);
            }
        }
        sti();
        // 保证该sk不在sock_array队列里
        remove_sock(sk);
        // 挂载到sock_array里
        put_sock(snum, sk);
        // tcp头中的源端口
        sk->dummy_th.source = ntohs(sk->num);
        sk->daddr = 0;
        sk->dummy_th.dest = 0;
    }
    return(0);
}

bind函数主要是对待绑定的ip和端口做一个校验，合法的时就记录在sock结构体中。并且把sock结构体挂载到一个全局的哈希表里。