socket

읽는 지도

network stack은 sk_buff가 driver, NAPI, protocol stack, socket, qdisc 사이를 이동하는 data-plane이다. throughput만 보면 안 되고, drop attribution과 CPU affinity를 같이 봐야 한다.

먼저 볼 것

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

다음에 볼 것

정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.

그림 1. socket 이 kernel 안에서 놓이는 위치

NIC / driverRX ring, TX completion, IRQ

→

NAPI / softirqpoll budget, GRO, backlog

→

protocol stackL2/L3/L4 dispatch

→

socket / qdiscuserspace queue and TX policy

왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.

원본 코드 좌표

Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일

원본 코드:

Linux 6.18.37 LTS: net/socket.c
Linux 6.18.37 LTS: net/ipv4/af_inet.c
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/net.h

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

GitHub 원본:

net/socket.c net/ipv4/af_inet.c include/linux/net.h

대표 코드

__sys_socket

원본 코드: net/socket.c, around line 1637

{
	return __sock_create(net, family, type, protocol, res, 1);
}
EXPORT_SYMBOL(sock_create_kern);

static struct socket *__sys_socket_create(int family, int type, int protocol)
{
	struct socket *sock;
	int retval;

	/* Check the SOCK_* constants for consistency.  */
	BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
	BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK);
	BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK);
	BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK);

	if ((type & ~SOCK_TYPE_MASK) & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
		return ERR_PTR(-EINVAL);
	type &= SOCK_TYPE_MASK;

	retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
	if (retval < 0)
		return ERR_PTR(retval);

	return sock;
}

struct file *__sys_socket_file(int family, int type, int protocol)
{
	struct socket *sock;
	int flags;

	sock = __sys_socket_create(family, type, protocol);
	if (IS_ERR(sock))
		return ERR_CAST(sock);

	flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
	if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
		flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

sock_create

원본 코드: net/socket.c, around line 1341

		}
	return err;
}

/**
 *	sock_create_lite - creates a socket
 *	@family: protocol family (AF_INET, ...)
 *	@type: communication type (SOCK_STREAM, ...)
 *	@protocol: protocol (0, ...)
 *	@res: new socket
 *
 *	Creates a new socket and assigns it to @res, passing through LSM.
 *	The new socket initialization is not complete, see kernel_accept().
 *	Returns 0 or an error. On failure @res is set to %NULL.
 *	This function internally uses GFP_KERNEL.
 */

int sock_create_lite(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
{
	int err;
	struct socket *sock = NULL;

	err = security_socket_create(family, type, protocol, 1);
	if (err)
		goto out;

	sock = sock_alloc();
	if (!sock) {
		err = -ENOMEM;
		goto out;
	}

	sock->type = type;
	err = security_socket_post_create(sock, family, type, protocol, 1);
	if (err)
		goto out_release;

out:
	*res = sock;
	return err;

함수별 독해

file descriptor 기반 userspace API를 struct socket/sock/proto_ops로 연결하는 networking syscall 계층이다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. socket 함수 체인과 관찰 지점

entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정

→

__sys_socketfile descriptor 생성

→

sock_createaddress state 설정

→

observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. `__sys_socket`

__sys_socket 주변에서는 struct socket를 중심으로 본다. 이 필드는 VFS-facing object 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 sys_socket 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 file descriptor 생성을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: socket fd와 struct sock lifetime을 동일시함

2. `sock_create`

sock_create 주변에서는 struct sock를 중심으로 본다. 이 필드는 protocol state 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 bind/connect 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 address state 설정을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄

함수	입력	상태 변경	검증 질문
__sys_socket	struct socket, caller context, subsystem 전제 조건	sys_socket: file descriptor 생성	socket fd와 struct sock lifetime을 동일시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
sock_create	struct sock, caller context, subsystem 전제 조건	bind/connect: address state 설정	blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체 / 필드 해설

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. socket 핵심 필드 연결

struct socketVFS-facing object

→

struct sockprotocol state

→

proto_opsfamily operations

→

sk_receive_queueincoming data queue

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드	읽는 법	확인
struct socket	VFS-facing object	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
struct sock	protocol state	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
proto_ops	family operations	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
sk_receive_queue	incoming data queue	누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

상태 전이 그림

상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.

그림 4. socket 상태 전이

sys_socketfile descriptor 생성

→

bind/connectaddress state 설정

→

send/recvprotocol ops dispatch

→

closereference and linger 처리

상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.

상태	의미	진입 조건	깨지는 지점
sys_socket	file descriptor 생성	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
bind/connect	address state 설정	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
send/recv	protocol ops dispatch	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
close	reference and linger 처리	앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤	다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때

socket review rule = state transition + owner transition + visibility transition

불변조건 / 실패 케이스

lifetime

socket 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

error unwind

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

socket fd와 struct sock lifetime을 동일시함

주의

blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄

주의

namespace/cgroup/LSM hook을 누락함

계측 / 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구	보는 것	해석
sys_enter_socket	socket 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
tcp:* tracepoints	socket 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
ss -tinp	socket 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
perf trace	socket 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인	로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인

기본 추적 골격:

# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

연구 질문

socket 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
socket 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
실험으로 확인한다면 'socket fd와 struct sock lifetime을 동일시함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
실험으로 확인한다면 'blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?