Verbindungslose Kommunikation über UDP ist im Kernel mit weniger Aufwand zu programmieren als das verbindungsorientierte TCP. Eine geschickte Einstellung der Socket-Parameter lässt eigene Module auf Broadcasts hören und steigert die Performance.
Nachdem die letzte Folge der Kern-Technik die Verwendung von TCP im Kernel demonstriert hat[1], geht es dieses Mal um UDP. Dabei handelt es sich um ein verbindungsloses Protokoll, was sich bereits am einfachen Programmierinterface bemerkbar macht: Der Server öffnet einen Socket, bindet ihn an einen Port und wartet auf die an ihn geschickten Nachrichten. Kommt eine an, nutzt der Server die übermittelte Absenderinformation, um dem Client zu antworten. Dazu braucht er nicht einmal einen neuen Socket anzulegen.
Der Client öffnet ebenfalls einen Socket und schickt seine Nachricht an den angegebenen Empfänger, also den Server. Dessen Identifikation erfolgt wie bei TCP über die Kombination von IP-Adresse und Port. Nicht mehr benötigte Sockets gibt das Modul schließlich wieder frei. Innerhalb des Kernels stehen für UDP-Kommunikation insgesamt fünf Funktionen zur Verfügung (siehe Abbildung 1): »sock_create()«, »bind()«, »sock_recvmsg()«, »sock_sendmsg()« und »sock _release()«.
Abbildung 1: Zur Kommunikation über UDP bringt der Kernel sechs Netzwerk- und zwei Hilfsfunktionen mit.
Listing 1 zeigt, wie diese Funktionen zu verwenden sind. In Zeile 56 erzeugt »sock_create()« den Socket, wobei die Symbole »SOCK _DGRAM« und »IPPROTO _UDP« festlegen, dass es sich um einen UDP-Socket handelt. Den in der Struktur »struct sockaddr_in« spezifizierten Empfangsport bindet die Funktion »bind()« an den Socket (Zeile 63).
Etwas komplizierter ist der Aufruf der Empfangsfunktion selbst. Sie benötigt neben dem Speicher für die Daten nämlich noch drei Datenstrukturen (siehe Abbildung 2): eine Struktur »struct iovec« für die Adresse und Größe des Empfangspuffers, eine Struktur vom Typ »struct sockaddr_in« für den Paketabsender (IP-Adresse und Portnummer) und eine Struktur »struct msghdr msg«. Sie speichert die Adressen der anderen Datenstrukturen (Zeilen 25 und 29). Zur Initialisierung der Datenstruktur »struct iovec« müssen die Adresse und Größe des Empfangs-Datenspeichers zudem spezifiziert sein (Zeilen 32 und 33).
Abbildung 2: Die Datenstruktur vom Typ »struct msghdr« speichert die wesentlichen Parameter für das Senden und Empfangen der UDP-Pakete.
Den Inhalt der Datenstruktur »struct iovec« modifiziert der Kernel. Deshalb ist sie vor jedem Aufruf von »sock_ recvmsg()« neu zu initialisieren. Das ist auch der Grund, warum die Initialisierung in Listing 1 innerhalb der »while«-Schleife (Zeile 31) stattfindet.
Zum Aufruf von »sock_recvmsg()« noch zwei Bemerkungen: Erstens braucht die Funktion einen Prozesskontext. Deshalb erzeugt Listing 1 einen Kernel-Thread (Zeile 70). Zweitens muss dafür gesorgt sein, dass man in den vorgesehenen Speicher schreiben darf. Da dieser im Kernelspace liegt, die Kopierfunktion aber vom Userspace ausgeht, ist die entsprechende Überprüfung auszuschalten. Dafür sorgt der Code der Zeilen 34 und 35. Der Aufruf »set_fs()« in Zeile 37 stellt den alten Wert wieder her.
Ein UDP-Paket vom Kernel aus senden ist einfacher, als eins zu empfangen. Listing 3 zeigt dazu ein Kernelmodul, das die Aufgabe des vorgestellten Client-Programms übernimmt. Um das Modul kompakt zu halten, verschickt es das UDP-Paket gleich bei der Initialisierung. Der Code kann allerdings auch an fast jeder anderen Stelle im eigenen Kernelcode auftauchen. Zunächst erzeugt »sock_create()« den UDP-Socket, siehe Listing 3, Zeile 19. Dann folgt die Definition des Paketempfängers in der Struktur »struct sockaddr_in«.
Wie beim Empfang enthält auch beim Senden die Struktur »struct msghdr« alle wesentlichen Parameter (Abbildung 2). Sie besteht im Wesentlichen aus der Netzadresse des Empfängers (»struct sockaddr_in«) und der Speicheradresse des Sendepuffers (definiert über eine »struct iovec«). Das Feld »msg_flags« muss vor dem Senden auf »0« stehen.
Eine andere Variante, den Empfänger eines Paketes zu spezifizieren, macht die Software zum Zeitpunkt des Verschickens besonders performant: Der Eintrag der Adresse der »struct sockaddr_in«, die die Empfänger-IP-Adresse und Empfänger-Portnummer enthält, erfolgt nicht in der »struct msghdr«. Stattdessen bindet sie der Aufruf der Methode »connect()« an den Socket. Das Feld »msg_name« setzt man dann vor dem Aufruf von »sock_sendmsg()« auf »0«, siehe Listing 4. Um Missverständnissen vorzubeugen: UDP ist und bleibt ein verbindungsloses Protokoll.
Die Methode »connect()« bindet in diesem Fall nur die Adresse des Empfängers an den Port und führt keinen wirklichen Verbindungsaufbau durch. Auch dieses Modul lässt sich mit Hilfe des Makefile[2] übersetzen und mit »insmod udpsend.ko« zusätzlich zum bereits geladenen Modul laden. Bei Erfolg erscheint im Syslog eine Meldung über den Empfang des gesendeten »hallo«. Natürlich ist es möglich, das Modul auch auf einem anderen Rechner zu installieren. Dann ist jedoch an Stelle von »127.0.0.1« die richtige IP-Adresse des Empfängers im Sourcecode einzutragen.
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