Socket 与系统调用深度分析

Posted 2021-03-22 tanhao1410

一、实验环境准备

uname -a

 在本机编译linux 5.0.1 X86-64内核，重新按照64位方式编译，步骤同上一篇博客。

make x86_64_defconfig
make menuconfig
make  #编译内核

二、Socket与系统调用

1.socket

1. Socket API编程接口之上可以编写基于不同网络协议的应用程序；
2. Socket接口在用户态通过系统调用机制进入内核；
3. 内核中将系统调用作为一个特殊的中断来处理，以socket相关系统调用为例进行分析；
4. socket相关系统调用的内核处理函数内部通过“多态机制”对不同的网络协议进行的封装方法。

2.系统调用

1. 系统调用就是为了让应用程序可以访问系统资源，每个操作系统都会提供一套接口供应用程序使用。这些接口通常通过中断来实现，linux使用0x80号中断作为系统的调用的入口。
2. 系统调用的弊端：各个操作系统的系统调用不兼容，使用不方便，系统调用比较原始。运行库解决这两个问题，它的使用统一不会随着操作系统或编译器的变化而变化。
3. 系统调用的原理：系统调用是运行在内核态的，而用户程序一般是运行在用户态的，操作系统一般通过中断从用户态切换到内核态。中断具有两个属性一个是中断号，一个是中断向量表，是一个数组，包含中断处理程序。一个中断号对应一个中断处理程序。中断分为硬件中断和软件中断，软件中断通常是一条指令，带有一个参数代表中断号。在linux中使用0x80来触发所有的系统调用。和中断一样系统调用都有一个系统调用号，系统调用号代表在系统调用表中的位置。

3.系统调用表

vi linux-5.0.1/arch/sh/include/uapi/asm/unistd_64.h

从中可以看到与socket相关的调用号。

三、GDB调试

1.启用gdb调试系统启动

vi LinuxKernel/menu/Makefile
cd menu
make rootfs

在图形化界面启动menu后，用终端打开gdb：

 

 查找资料得知，我本机是32位linux，gdb为32位，无法调试64位程序。因此，下面为基于32位linux内核的调试。

 　　在系统启动后，可以看到，内核的初始化完成了以下的函数调用过程：start_kernel > trap_init > idt_setup_traps, 其中start_kernal是内核启动的入口函数。

 2.gdb调试socket

这一次我们在__sys_listen加入断点

可以看到，当我在Qemu中输入replyhi后，进入断点

 在sys_socketcall加入断点，输入了replyhi后，可以看到该方法被调用了4次

 Socket本质上是一个glibc中的函数，执行实际上是是调用sys_socketcall()系统调用。sys_socketcall()是几乎所有socket相关函数的入口，即是说，bind，connect等等函数都需要sys_socketcall()作为入口。省略号省略掉的是各种网络编程用得到的函数，全部都在这个系统调用中，socketcall是系统所有socket相关函数打大门。

SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args)
{
     unsigned long a[6];
     unsigned long a0, a1;
     int err;
     unsigned int len;
     if (call < 1 || call > SYS_SENDMMSG)
             return -EINVAL;
     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;
     audit_socketcall(nargs[call] / sizeof(unsigned long), a);
     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;
    //...
     default:
             err = -EINVAL;
             break;
     }
     return err;
 }