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如何讓自己創建的tcp協議棧為其他應用程序提供網絡服務?

FPGA之家 ? 來源:embed linux share ? 作者:embed linux share ? 2021-03-22 11:07 ? 次閱讀

一般來說,使用套接字進行網絡編程時,默認使用linux內核提供的網絡服務。但是,現在我們自己在用戶空間構建了一個tcp協議棧,并且讓它為其他應用程序提供網絡服務,這勢必要求我們自己實現一套新的套接字接口,并且提供給其他應用程序指定使用。

但是,我們并不希望把該tcp協議棧封裝成動態庫的形式,因為這樣一來,應用程序的編譯是必須要把庫一起連接進去的。那么原生網絡編程開發的程序就不能基于我們tcp協議棧來運行了。

一種較好的設計思路是,把tcp協議棧剝離出來作為一個獨立的組件來運行,然后通過一個中間件,把網絡程序與tcp協議棧協同工作起來。這個中間件的主要工作就是負責偷龍換鳳,也就是把網絡程序中的內核網絡服務轉換成獨立運行的tcp協議棧的網絡服務。

核心思路:網絡程序(curl)+自定義套接字庫(liblevel.so)+tcp協議棧(level-ip),如下圖:

curl小工具

curl是一種命令行工具,作用是發出網絡請求,然后得到和提取數據,顯示在"標準輸出"(stdout)上面。我們直接在curl命令后加上網址和端口,就可以看到網頁源碼。比如抓取www.sina.com網址:

curl www.sina.com 80

下面我們來看一個curl工具的簡易實現,如下圖:

第3行:判斷目標主機名是否合法

第11行:判斷目標端口好是否合法

第16行:完成主機名到地址解析

第21行:使用socket申請一個套接字描述符

第23行:使用connect函數發起tcp連接

第30行:按照http 1.1協議來填充要發送的內容,此處為http協議的get請求

第33行:調用write來發送網絡數據

第41行:在while循環中重復接收服務器返回來的網頁數據,并且打印在當前控制臺終端上。

這是標準的網絡應用程序,使用gcc命令編譯后即可運行。

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協議棧(level-ip)進行數據通信。以后在curl程序使用socket套接字時,優先使用該庫的服務接口,而不是內核的網絡服務。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:執行該shell腳本由/bin/sh程序來執行。

第3行:指定腳本如果發生錯誤,或者遇到不存在的變量就報錯,并停止執行。

第5行:保存腳本的第一個參數到prog變量中。

第6行:去掉一個參數,即原來的1,2,依此類推。

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

綜上所述,我們就可以確定curl程序是優先加載liblevelip.so庫來使用了,通過這種打樁技術,我們可以在加載階段替換部分系統函數的調用,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

首先是__libc_start_main函數,該函數原本是glibc庫里面的函數,curl程序里面的main函數就是從這里開始被調用。但是我們在liblevelip.c里面實現了這個函數,并且liblevelip.so的庫加載順序優先于glibc的動態庫加載。因此在執行curl程序中的main函數之前,此函數先被執行。如下圖:

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

第7~22行:從glibc庫中加載一部分linux系統原生提供的系統調用接口。因為我們的網絡服務還是要依賴于一些更底層的系統調用接口的。

第24行:初始化一個鏈表節點lvlip_socks。

第26行:調用glibc的原生__libc_start_main接口。

socket函數

接下來就是liblevelip.so對外提供的第一個網絡編程接口--socket函數了。該函數實現如下:

第3~5行:檢查網絡通信協議族是否為tcp協議,如果不是tcp協議,則調用內核提供的網絡服務。

第9行:借助tcp本地套接字接口,與tcp協議棧建立連接,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。結構體類型如下:

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

list成員變量為鏈表結點

lvlfd記錄與tcp協議棧通信的網絡文件描述符

fd記錄tcp協議棧的返回狀態發送socket消息給tcp協議棧第12行:記錄與tcp協議棧通信的網絡文件描述符到sock->lvlfd第13行:把這次的網絡通信消息加入lvlip_socks鏈表中第14行:網絡通信消息數量加1第16行:獲取當前線程的pid號

第17~18行:申請ipc_msg+ipc_socket結構體長度的buff,用于發送詳細的socket信息到tcp協議棧。結構體定義如下:

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:記錄請求網絡服務的進程pid號

data:存放具體的通信內容

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

實際上就是soket函數的三個參數。

第23~29行:把ipc_socket作為通信的具體內容填充到ipc_msg的data區域中去

第31行:調用transmit_lvlip()函數真正給tcp協議棧發送消息,并且等待協議棧的數據回復。

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

tcp協議棧(level-ip)

用戶空間的level-ip協議棧,在運行之初,就已經在main函數里面創建了一系列線程。如下圖:

其中第9行,在run_threads()函數里創建了一系列線程,如下圖:

在這里,我們重點關注第5行創建的start_ipc_listener線程

該線程的實現如下:

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是通過tco本地通信接口來通信的

第10行:調用socket接口開始進行tcp本地通信

第24行:調用bind函數綁定本地通信路徑

第31行:調用listen函數監聽指定端口,等待liblevelip.so庫發起連接

第46行:如果liblevelip.so庫發起連接,則調用accept函數準備開始收發信息。

第54行:每監聽到一個新的連接,新創建一個socket_ipc_open函數來進行數據的具體收發。

socket_ipc_open函數主要是負責通信信息的讀取,然后根據通信消息的類型不同,來進一步調用具體的處理函數,其實現如下:

第7行:調用read函數進行數據的讀取

第8行:調用具體指令的回調信息

demux_ipc_socket_call的函數非常簡單,實現如下:

前面我們在liblevelip.so庫中調用socket()函數的時候,發送的消息類型為IPC_SOCKET,所以在此處我們進一步分析ipc_socket()這個函數。

它的具體實現如下:

我們重點是關注第7行的_socket函數,該函數就是tcp協議棧的核心接口之一了,它是整個tcp協議棧的真正入口,我們以后再來專門分析這個接口。然后第9行,ipc_write函數負責把tcp協議棧的處理結果返回給liblevelip.so庫,代碼較為簡單,此處不再分析。

原文標題:Linux系統中間件的巧妙實現--以用戶空間的tcp協議棧為例

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責任編輯:haq

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