实现Linux平台自定义协议族

一 简介

我们常常在Linux系统中编写socket接收TCP/UDP协议数据，大家有没有想过它怎么实现的，如果我们要实现socket接收自定义的协议数据又该怎么做呢？带着这个疑问，我们一起往下看吧~~

二 Linux内核函数简介

在Linux系统中要想实现通过socket接收网络协议栈送过来的数据，首先要对这两个内核函数实现注册, 先来看看这两个函数原型：

//ops: 指向一个描述套接字协议族的 net_proto_family 结构体。这个结构体定义了：
//协议族编号（family），比如 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。
//与此协议族关联的 create 函数，用于创建套接字。
int sock_register(const struct net_proto_family *ops);//prot: 指向一个描述传输层协议的 proto 结构体，该结构体定义了协议的具体实现，包括各种操作和资源管理逻辑，例如发送、接收、内存分配等。
//alloc_slab: 一个布尔值，指定是否为该协议分配内存缓存（slab 缓存），通常用于控制协议的缓冲区管理。
int proto_register(struct proto *prot, int alloc_slab);

1.sock_register 将用户自定义的协议族挂载到内核的协议族表（net_families）,注册成功后，用户态程序可以通过指定协议族（如 socket(AF_INET, ..)）来创建对应的套接字。

2.proto_register 函数将传输层协议的实现注册到内核的协议栈中，使其可以在对应的套接字类型下运行（如 SOCK_STREAM 对应 TCP），注册的协议通常与 sock_register 中的协议族关联，用于实现更高层次的功能。

两者的关系：

1. sock_register: 是更高层的接口，用于注册协议族（如 AF_INET）。

2. proto_register: 是传输层的具体实现，用于注册实际的协议逻辑（如 TCP、UDP、或自定义协议）。

通常，一个协议族可能对应多种协议，比如AF_INET（IPv4）对的具体协议又TCP/UDP等,proto_register 是为了支持某个协议族的实际功能，而 sock_register 提供的是更外层的入口。二者可以配合使用，以实现从协议族到协议具体实现的完整功能。

自定义协议族：内核模块实现

下面这个代码是实现自定义一个协议族AF_MYPROTO（28）的内核模块。

测试平台：CentOS7， Linux内核版本： 3.10.0，编译工具：gcc 4.8.5

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/net.h>
#include <linux/socket.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/init.h>/* 自定义协议族号 (通常选择未使用的值,sock.h有定义) */
#define AF_MYPROTO 28 /* 定义 proto_ops，用于实现 socket 操作 */
static int myproto_sock_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol, int kern);/* 应用层调用close会调用sock_my_release */
static int sock_my_release (struct socket *sock)
{pr_info("sock_my_release............\n");return 0;
}/* 应用层调用recv函数会触发调用下面这个sock_my_recvmsg函数 */
static int sock_my_recvmsg (struct kiocb *iocb, struct socket *sock,struct msghdr *msg, size_t total_len,int flags)
{char buf[32];int i=0;for(i=0; i<32; ++i) buf[i] = (total_len+i)&0xFF;memcpy_toiovec(msg->msg_iov, buf, 32); /* 拷贝数据到应用层buffer */pr_info("total_len=%ld flags=%d\n", total_len, flags);return 0;
}/* 应用层调用send函数会触发调用该sock_my_sendmsg函数 */
static int sock_my_sendmsg (struct kiocb *iocb, struct socket *sock,struct msghdr *m, size_t total_len)
{pr_info("sock_my_sendmsg............\n");return 0;
}static const struct proto_ops myproto_ops = {.family     = AF_MYPROTO,.owner      = THIS_MODULE,.release    = sock_my_release, .bind       = sock_no_bind, /* 默认空函数 xxx_no_xxx()，下同 */.connect    = sock_no_connect,.socketpair = sock_no_socketpair,.accept     = sock_no_accept,.getname    = sock_no_getname,.poll       = sock_no_poll,.ioctl      = sock_no_ioctl,.listen     = sock_no_listen,.shutdown   = sock_no_shutdown,.setsockopt = sock_no_setsockopt,.getsockopt = sock_no_getsockopt,.sendmsg    = sock_my_sendmsg, /* 指定上面实现的函数 */.recvmsg    = sock_my_recvmsg, /* 指定上面实现的函数 */.mmap       = sock_no_mmap,.sendpage   = sock_no_sendpage,
};/* 定义传输协议 proto 结构体 */
static struct proto myproto_proto = {.name = "MYPROTO",.owner = THIS_MODULE,.obj_size = sizeof(struct sock),
};// 定义协议族 net_proto_family
static const struct net_proto_family myproto_family = {.family = AF_MYPROTO,.create = myproto_sock_create,.owner = THIS_MODULE,
};/* 创建 socket 函数 */
static int myproto_sock_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol, int kern) {struct sock *sk;pr_info("MYPROTO: Creating socket\n");if (!protocol)protocol = IPPROTO_IP;/* 分配 socket 的底层数据结构：PF_INET: Internet IP Protocol */sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, &myproto_proto);if (!sk) return -ENOMEM;sock->ops = &myproto_ops;sock_init_data(sock, sk);return 0;
}/* 模块加载和卸载，模块入口 */
static int __init myproto_init(void) {int ret;pr_info("MYPROTO: Initializing module\n");/* 注册传输层协议,具体协议 */ret = proto_register(&myproto_proto, 1);if (ret) {pr_err("MYPROTO: Failed to register proto\n");return ret;}ret = sock_register(&myproto_family); /* 注册协议族 */if (ret) {pr_err("MYPROTO: Failed to register protocol family\n");proto_unregister(&myproto_proto);return ret;}pr_info("MYPROTO: Module loaded\n");return 0;
}/* 模块卸载时候调用 */
static void __exit myproto_exit(void) {pr_info("MYPROTO: Cleaning up module\n");// 注销协议族和传输层协议sock_unregister(AF_MYPROTO);proto_unregister(&myproto_proto);pr_info("MYPROTO: Module unloaded\n");
}module_init(myproto_init);
module_exit(myproto_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Linux编程用C@Young");

编译内核模块的Makefile如下：注意内核代码名称为net_prot.c才能编译，

obj-m:=net_prot.o #名称对应起来，也可自己修改KERNELDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD:=$(shell pwd)default:       $(MAKE) -C $(KERNELDIR)  M=$(PWD) modules
clean:        rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.koendif

编译完成后，使用insmod向内核插入模块：insmod net_prot.ko

使用dmesg查看模块加载信息：

三 自定义协议族：应用程序实现

这个应用程序创建AF_MYPROTO自定义协议的socket，读取数据，示例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>#define AF_MYPROTO 28 // 和内核协议族号保持一致int main() {int sockfd, i=100;char buf[2048];// 创建套接字sockfd = socket(AF_MYPROTO, SOCK_RAW, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket");return EXIT_FAILURE;}printf("Socket created successfully with AF_MYPROTO\n");while(--i){read(sockfd, buf, 32+i);for(int i=0; i<32; ++i){printf("0x%x ", buf[i]);}printf("\n");}// 关闭套接字close(sockfd);return EXIT_SUCCESS;
}

使用dmesgch

四 测试结果

收到来自内核返回数据：该数据是固定填充，做示例演示。

五 总结

通过这个例子，我们了解到了内核协议族的注册与使用流程，加深对Linux协议栈的了解。

我是小C，欢迎大家一起交流学习~