TCP/IP 在 Windows 下的實(shí)現(xiàn)

        Windows 實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議也是建立在上一篇博客的OSI 基礎(chǔ)之上的。用戶態(tài)是由ws2_32.dll 和一些其它服務(wù)提供者的 dll 共同實(shí)現(xiàn)，其中ws2_32.dll 是一個(gè)框架，可以容納很多的服務(wù)提供者，這些服務(wù)提供者其實(shí)就是各種協(xié)議的實(shí)現(xiàn)者，如比較常見的有 TCP/IP 協(xié)議，IPX 協(xié)議。而 TCP/IP 協(xié)議的服務(wù)實(shí)現(xiàn)是由 msafd.dll 和 mswsock.dll 來(lái)完成。HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesWinSock2，該注冊(cè)表下記錄了協(xié)議（服務(wù)）及其一些其它的信息。

        就 TCP/IP 而言，我們普遍會(huì)使用 posix標(biāo)準(zhǔn)的 socket 接口來(lái)完成我們應(yīng)用程序的功能，這樣要想完成跨平臺(tái)的代碼就會(huì)比較方便。

        在上一篇文章中，我們知道，tcp/ip 協(xié)議的用戶態(tài)部分由msafd.dll 完成，它與內(nèi)核部分的 afd.sys 交互來(lái)實(shí)現(xiàn) socket 接口的系統(tǒng)調(diào)用。然后 afd.sys 完成 socket 的一些機(jī)制，并且和 tcpip.sys 驅(qū)動(dòng)程序交互，總結(jié)一下如下。

        1.      Msafd.dll : socket 接口的用戶態(tài)部分，與afd.sys 通信。

        2.      Afd.sys  : socket 接口的內(nèi)核態(tài)部分，滿足 msafd.dll的調(diào)用，向下與 tcpip.sys 通信。

        3.      Tcpip.sys : tcp/ip 協(xié)議的主要實(shí)現(xiàn)部分，滿足afd.sys 的調(diào)用，向下與小端口網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)通過(guò) IRP通信。

        4.      socket 的概念是在 msafd.dll和 afd.sys 中才有的，它們兩個(gè)實(shí)現(xiàn)了 socket 的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)部分。它們的下層是傳輸層（TDI）層，TDI 層完成了 TCP, UDP, RawIp的機(jī)制，在 TDI 層中，只有地址對(duì)象，連接對(duì)象，控制通道的概念。TDI 的下層是網(wǎng)絡(luò)層（IP 層），在 IP 層中，只有 Packet 的概念，收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò) IP 包中的標(biāo)識(shí)，知道要提交給 TCP 或 UDP 等處理。TDI 層和 IP 層都由 tcpip.sys 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        知道上面的概念后，就有了比較清晰的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然驅(qū)動(dòng)和設(shè)備的管理由 IO 管理器來(lái)管理，但tcpip 協(xié)議族卻沒(méi)有用常規(guī)設(shè)備棧的方式來(lái)處理數(shù)據(jù)包，afd.sys 與 tcpip.sys 以及 tcpip.sys 與 miniport 驅(qū)動(dòng)之間都是由發(fā)送 IRP 來(lái)實(shí)現(xiàn)。這也使中間過(guò)濾層驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)略微復(fù)雜，這里且不談。

那么我們把上面零散的概念串起來(lái)，看看從普通的 socket 接口到數(shù)據(jù)最終由網(wǎng)卡發(fā)出的整個(gè)過(guò)程。

        Socket ：

        Ws2_32.dll 加載時(shí)會(huì)根據(jù)注冊(cè)表初始化服務(wù)提供者，服務(wù)者會(huì)告知自己支持的地址族，socket 類型，和協(xié)議類型。當(dāng)我們調(diào)用socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROT_UDP) 來(lái)創(chuàng)建一個(gè) UDP 類型的套接字的時(shí)候，根據(jù)傳入的參數(shù)，會(huì)定位到 msafd.dll 這個(gè)服務(wù)提供者，并會(huì)調(diào)用相應(yīng)的 socket 創(chuàng)建接口，它會(huì)打開設(shè)備 DeviceAfdEndPoint ，由于 afd.sys 創(chuàng)建了一個(gè) DeviceAfd 設(shè)備，所以一個(gè) IRP_MJ_CREATE 的 IRP 便會(huì)發(fā)送到 afd.sys 驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)建函數(shù)，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)FAD_FCB 結(jié)構(gòu)體來(lái)表示這個(gè)套接字，并且記錄下 FileObject，并返回。

        Bind :

        要想接收數(shù)據(jù)包，我們會(huì)把 socket 綁定到本地的一個(gè)IP-Port 對(duì)，就是調(diào)用 Bind 接口，msafd.dll 會(huì)通過(guò)一個(gè)控制消息，次功能號(hào)為 IOCTL_AFD_BIND，此時(shí)afd.sys 會(huì)接著根據(jù)上面 FCB 記錄的設(shè)備名打開相應(yīng)的 DeviceUDP 設(shè)備，并把輸入?yún)?shù)標(biāo)識(shí)為是一個(gè)傳輸層的地址，那么 tcpip.sys 會(huì)創(chuàng)建接口就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)地址對(duì)象來(lái)表示這次綁定，當(dāng)然還會(huì)分配相應(yīng)的端口信息。

        Connect:

        如果是 TCP，還需要連接到對(duì)方的socket，與 Bind 類似，它也會(huì)根據(jù) FCB 記錄的設(shè)備名打開相應(yīng)的設(shè)備，并把輸入?yún)?shù)標(biāo)識(shí)為是一個(gè)連接對(duì)象，tcpip.sys 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)連接對(duì)象來(lái)表示這次連接。

        其實(shí)在 TDI 層，還有一種叫做控制通道，當(dāng)其它驅(qū)動(dòng)想得到 TDI 層的一些信息，如當(dāng)前的 TCP或 UDP 連接有哪些，那么它會(huì)直接打開 DeviceTCP 等設(shè)備，由于沒(méi)有傳入?yún)?shù)，那么 tcpip.sys 則會(huì)創(chuàng)建一個(gè)控制通道。TDI 層這些對(duì)象的標(biāo)識(shí)都會(huì)保存在與之對(duì)應(yīng)的 FileObject->FsContext2 里，以便后來(lái)區(qū)分。

        當(dāng)前面準(zhǔn)備工作做好后，我們就來(lái)看數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

        SendTo:

        由 msafd.dll 發(fā)送一個(gè) IOCTL_AFD_SEND_DATAGRAM到 afd.sys ，afd.sys 創(chuàng)建一個(gè)主功能號(hào)為 IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL ，次功能號(hào)為 TDI_SEND_DATAGRAM的 IRP 到 tcpip.sys，tcpip.sys 調(diào)用相就的 UDPSendDatagram，組裝一個(gè) UDP 包，最后通過(guò) IpSendDatagram 到協(xié)議層，然后由相應(yīng)的小端口驅(qū)動(dòng)發(fā)送出去。

        RecvFrom:

        接收數(shù)據(jù)稍微復(fù)雜一點(diǎn)，接收數(shù)據(jù)都是由afd.sys 驅(qū)動(dòng)發(fā)送一個(gè)次功能號(hào)為 TDI_RECEIVE_DATAGRAM （afd.sys 與 tcpip.sys 的傳輸層都是以 IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL 為主功能號(hào)）的 IRP 到 TDI 層，而 TDI 層都是以接收請(qǐng)求的形式來(lái)掛在地址對(duì)象的接收請(qǐng)求（DATAGRAM_RECEIVE_REQUEST）隊(duì)列中，在地址對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候會(huì)創(chuàng)建這個(gè)隊(duì)列。那么什么時(shí)候這個(gè)請(qǐng)求會(huì)被滿足呢，這要從網(wǎng)卡接到數(shù)據(jù)說(shuō)起。當(dāng)網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)議驅(qū)動(dòng)也會(huì)收到這個(gè)數(shù)據(jù)，一般情況下只有能處理這個(gè)協(xié)議的驅(qū)動(dòng)才會(huì)去處理這個(gè)包，此時(shí)就會(huì)進(jìn)行到 tcpip.sys 的協(xié)議部分，即 IP 協(xié)議，tcpip.sys 根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，確定是 IP 包，因?yàn)?tcpip.sys 還完成了 ARP 包的處理，最后會(huì)上交到 Ipv4 的處理流程，它會(huì)調(diào)用ProcessFragment ->IpDispatchProtocol ，IpDispatchProtocl 會(huì)區(qū)分出是什么包，如果是 UDP 包，由會(huì)調(diào)用UDPReceive ，并進(jìn)一步根據(jù)地址對(duì)象鏈表來(lái)找到匹配的地址對(duì)象，DGDeliverData 來(lái)交付數(shù)據(jù)，它會(huì)查看對(duì)址對(duì)象的接收請(qǐng)求隊(duì)列中是否有請(qǐng)求，如果沒(méi)有，則查看是否注冊(cè)了接收數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，如果也沒(méi)有注冊(cè)，那么就會(huì)丟掉這個(gè)包，這就是 UDP 不可靠的一個(gè)原因。

        那么有人就會(huì)有疑問(wèn)，我們?nèi)绻{(diào)用完 Bind 之后，還沒(méi)來(lái)得及調(diào)用 RecvFrom ，那么，接收到的包不就丟了么，其實(shí)，在調(diào)用 Bind 之后，就會(huì)馬上發(fā)送一個(gè)接收請(qǐng)求到隊(duì)列中，也就避免了這種情況的發(fā)生。這只是整個(gè)過(guò)程的導(dǎo)火索，在 Bind 里面它是通過(guò)調(diào)用TdiReceiveDatagram 來(lái)投遞一個(gè)接收請(qǐng)求的，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)TDI_RECEIVE_DATAGRAM 的 IRP，并為這個(gè) IRP 設(shè)置一個(gè)完成例程PacketSocketRecvComplete， tcpip.sys 會(huì)響應(yīng)這個(gè) IRP，并在相應(yīng)的地址對(duì)象的接收請(qǐng)求隊(duì)列中插入一個(gè)請(qǐng)求，并設(shè)置這個(gè)請(qǐng)求的完成函數(shù)為DGReceiveComplete，用戶完成函數(shù)為DispDataRequestComplete。 當(dāng)通過(guò) DGDeliverData 交付數(shù)據(jù)時(shí)，如果隊(duì)列中有請(qǐng)求，那么就去滿足這個(gè)請(qǐng)求，拷貝數(shù)據(jù)到與這個(gè)請(qǐng)求相應(yīng)的緩沖中，當(dāng)調(diào)用請(qǐng)求的完成函數(shù) DGReceiveComplete，它會(huì)調(diào)用用戶完成函數(shù) DispDataRequestComplete，DiapDataRequestComplete會(huì)完成這個(gè) IRP，那么 IRP 的完成例程PacketSocketRecvComplete 就會(huì)得到調(diào)用了， 在 PacketSocketRecvComplete中（該函數(shù)在 afd.sys 中）要做的工作先暫停一下，回到 RecvFrom 的調(diào)用，在 RecvFrom 向下直到 afd.sys 層，它并不會(huì)直接發(fā)送 IRP 到 tcpip.sys 中去請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)，如果 FCB->DatagramList 中沒(méi)有數(shù)據(jù)，它會(huì)把 msafd.dll 下發(fā)的這個(gè) IRP 放到 FCB->PendingIrpList 中，并掛起，所以到 tcpip.sys 的請(qǐng)求都是由在 Bind 最后發(fā)送的那個(gè)導(dǎo)火索引起，回到 PacketSocketRecvComplete 中，它會(huì)從FCB->PendingIrpList 中摘掉一個(gè) IRP 并插入一個(gè)數(shù)據(jù)包到 FCB->DatagramList 中，最后完成這個(gè) IRP，那么 RecvFrom 下發(fā)的這個(gè) IRP 就完成了。最后它又調(diào)用TdiReceiveDatagram 來(lái)投遞一個(gè)接收請(qǐng)求，然后周而復(fù)始。

        一個(gè) UDP Socket的大致過(guò)程就到此為止了。

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