Network · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

socket

기존 코드 발췌를 읽으실 때

기존 대표 발췌가 선언 없이 중괄호 또는 내부 분기에서 시작하므로 완전한 함수 범위를 확인해야 합니다. 기존 글은 보존했으며, 새 개념 설명에는 버전과 범위를 대조한 원문을 실었습니다.

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 위치와 링크를 맞춘 원본 코드 분석 노트입니다. sys_socket부터 proto_ops까지.

전체 흐름

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.

핵심 확인 사항

함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.

오류 처리 확인

정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

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

왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 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: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.

대표 코드

__sys_socket

원본 코드: net/socket.c, 1637행 부근
{
	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;

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

sock_create

원본 코드: net/socket.c, 1341행 부근
		}
	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;

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

함수별 분석

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

원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.

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 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.

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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 address state 설정을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄

함수입력상태 변경확인할 사항
__sys_socketstruct socket, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건sys_socket: file descriptor 생성socket fd와 struct sock lifetime을 동일시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
sock_createstruct sock, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건bind/connect: address state 설정blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.

그림 3. socket 핵심 필드 연결
struct socketVFS-facing object
→
struct sockprotocol state
→
proto_opsfamily operations
→
sk_receive_queueincoming data queue

각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.

어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.

필드읽는 법
struct socketVFS-facing object
struct sockprotocol state
proto_opsfamily operations
sk_receive_queueincoming data queue

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. socket 실행 단계
sys_socketfile descriptor 생성
→
bind/connectaddress state 설정
→
send/recvprotocol ops dispatch
→
closereference and linger 처리

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
sys_socketfile descriptor 생성앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
bind/connectaddress state 설정앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
send/recvprotocol ops dispatch앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
closereference and linger 처리앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
socket 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

socket의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.

오류 복구

중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.

bring-up symptom

임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.

주의

socket fd와 struct sock lifetime을 동일시함

주의

blocking semantic을 protocol callback 밖에서만 봄

주의

namespace/cgroup/LSM hook을 누락함

계측과 검증

로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.

로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.

도구보는 것
sys_enter_socketsocket 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
tcp:* tracepointssocket 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
ss -tinpsocket 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
perf tracesocket 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
기본 추적 경로:
# 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

추가 확인 사항

  • 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?