linux一切皆文件之tty字元設備(深入理解sshd創建pty的過程) （五）

来源:https://www.cnblogs.com/MrVolleyball/archive/2018/11/27/10024540.html
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一、知識準備 1、在linux中，一切皆為文件，所有不同種類的類型都被抽象成文件（比如：塊設備，socket套接字，pipe隊列） 2、操作這些不同的類型就像操作文件一樣，比如增刪改查等 3、塊設備支持隨機訪問，而字元設備只能依據先後順序來讀取數據。最典型的字元設備就是tty 二、環境準備 | 組件 ...


一、知識準備

1、在linux中，一切皆為文件，所有不同種類的類型都被抽象成文件（比如：塊設備，socket套接字，pipe隊列）
2、操作這些不同的類型就像操作文件一樣，比如增刪改查等
3、塊設備支持隨機訪問，而字元設備只能依據先後順序來讀取數據。最典型的字元設備就是tty


二、環境準備

組件 版本
OS CentOS Linux release 7.5.1804


三、什麼是tty？

根據史料記載：

An ASR33 Teletype - origin of the abbreviation tty.

tty來源一種電傳印表機（teletype），就像這樣：

● 敲擊鍵盤輸入不同的字元，然後由印表機將字元列印在紙上
● 歷史不斷在往前發展，出現了電腦之後，電腦模擬了teletype的模式：通過外部終端輸入，將輸入的字元列印在屏幕上
● 在teletype與電腦之間用串口相連，並且在電腦上通過信號轉換（模擬信號轉換為數字信號），讓電腦能夠識別，從而操作電腦
● 由於電腦廠商眾多，每個廠商都有自己風格的輸入設備，所以電腦為了相容這些設備，開發了內核tty模塊

                            
                           +-----------------+
                           |                 |
+--------+                 | +-------------+ |
|teletype|-----------------> |serial       | |
+--------+                 | |communication| |
                           | +-----+-------+ |
                           |       |         |
                           |       v         |
                           |  +----------+   |        +----------+
                           |  |tty driver|   |------->| display  |
                           |  +----------+   |        +----------+
                           |                 |
                           |computer         |
                           +-----------------+

四、tty設備文件

登陸到操作系統（不使用SSH協議，而使用控制台直接登陸），首先查看當前進程號所使用的tty

[root@localhost ~]# tty
/dev/tty1
[root@localhost ~]# ls -l /dev/tty1
crw--w---- 1 root tty 4, 1 Nov 20 23:24 /dev/tty1

當前所使用的是/dev/tty1，並且tty1也分配了主設備號與次設備號（關於主設備號與次設備號，請看之前的文章：塊設備文件）

查看進程打開的描述符

[root@localhost ~]# echo $$
5598
[root@localhost ~]# ls -l /proc/5598/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 22:23 0 -> /dev/tty1
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 22:23 1 -> /dev/tty1
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 22:23 2 -> /dev/tty1
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 22:23 255 -> /dev/tty1

進程打開了4個文件描述符，這四個文件描述符都是/dev/tty1，他們的作用分別是：
0：標準輸入
1：標準輸出
2：標準錯誤
255：這個比較特殊，主要用於當tty重置的時候對0,1,2的一份複製（個人觀點是對tty之前的歷史信息作為一份複製）

更多的信息，請拜讀大神的書《Shell Scripting: Expert Recipes for Linux, Bash, and more》，這裡是鏈接（大概在267頁）：
https://doc.lagout.org/operating%20system%20/linux/Commands%20and%20Shell%20Programming/Shell%20Scripting.pdf


五、ssh登陸之後的tty

剛纔介紹的都是操作系統提供的控制台登陸之後的情況，如果用ssh服務登陸之後會產生什麼情況呢？

首先介紹一個非常重要的概念，偽終端pty：
● pty是一對虛擬的字元設備，提供雙向通信。pty一般由master與slave組成
● pty的出現是為了滿足現在的登陸需求：網路登陸（ssh登陸、telnet登陸等）、Xwindow等
● 歷史上有兩套介面標準：分別是BSD與unix98，當前大多數pts都是基於unix98標準來實現的
● unix98的工作流程：
（1）進程對/dev/ptmx調用open()，返回pseudoterminal master(PTM)的文件描述符，並且在/dev/pts下創建pseudoterminal slave(PTS): /dev/pts/0
（2）調用grantpt()修改PTS的文件許可權；調用unlockpt()對PTS解鎖；最後調用slavename()得到PTS文件名字
（3）此時，PTM與PTS都已經正常打開，並且建立一條通道，兩端分別連接PTM與PTS
（4）進程對PTM寫的數據可以從PTS讀出來，反之亦然


下麵重點介紹一下基於unix98實現的sshd pty（主要分為登陸階段和執行命令階段）：

登陸：

（1）當進程ssh client請求與sshd建立登陸連接的時候，經過TCP握手以及tls握手之後，確認是一個合法的請求，sshd會fork()一個子進程出來專門服務於這條連接

[root@localhost ~]# ps -ef | grep sshd
root       894     1  0 Nov25 ?        00:00:00 /usr/sbin/sshd -D
root      3126   894  0 Nov25 ?        00:00:00 sshd: root@pts/0

（2）子進程3126對/dev/ptmx調用open()，得到PTM的文件描述符以及PTS的文件名

#這裡使用strace跟蹤sshd主進程和它創建的子進程，然後打開另外一個shell登陸伺服器
[root@localhost ~]# strace -p 894 -ff -o sshd
strace: Process 894 attached
strace: Process 3126 attached
strace: Process 3127 attached
strace: Process 3128 attached
strace: Process 3129 attached
strace: Process 3130 attached
strace: Process 3131 attached
strace: Process 3132 attached
strace: Process 3133 attached
strace: Process 3134 attached
strace: Process 3135 attached
strace: Process 3136 attached
strace: Process 3137 attached
strace: Process 3138 attached
strace: Process 3139 attached
strace: Process 3140 attached
[root@localhost ~]# grep ptmx ./sshd.*
./sshd.3126:open("/dev/ptmx", O_RDWR)               = 8

sshd894創建了一個子進程3126用來處理這條TCP連接。進程對/dev/ptmx調用open()，得到PTM的文件描述符8

（2）子進程3126在/dev/pts下創建了一個字元設備文件/dev/pts/0，8與/dev/pts/0成為一對master/slave
（3）子進程3126會再fork()一個子進程3128，子進程3128打開/dev/pts/0 3個描述符（標準輸入，標準輸出，標準錯誤），並且執行操作系統預設的shell（本文中bash）

[root@localhost ~]# ps -ef | grep 3126
root      3126   894  0 03:16 ?        00:00:00 sshd: root@pts/0
root      3128  3126  0 03:16 pts/3    00:00:00 -bash
[root@localhost ~]# ls -l /proc/3128/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 26 03:16 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 26 03:16 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 26 03:16 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 26 03:22 255 -> /dev/pts/0

至此，通信流程大概是這樣：

                         +----------------+
+------------+           |                |
| ssh client +---------->|      sshd      |
+----+-------+           |                |
     |                   +--------+-------+
     |                            |
     |                            |
     |                         fork()
     |                            |
     |                            |
     |                            v
     |                       +----+-----+     fork()    +----------+      +-----+
     +---------------------->|pid: 3126 |-------------->|pid: 3128 |----->|bash |
                             +-+--------+               +----------+      +-----+
                               |                              ^
                               |                              |
                       +-------+                              |
                +------|--------------------------------+     |
                |      |                 +-----------+  |     |
                |      v                 |           |  |     |
                |  +---------+    fd=8   +-----------+  |     |
                |  |/dev/ptmx|---------->|/dev/pts/0 |--------+
                |  +---------+           +-----------+  |
                |                        |           |  |
                |                        +-----------+  |
                +---------------------------------------+

執行命令：

（4）當ssh client發出一個ls命令，通過TCP連接來到3126，3126將ls寫入PTM文件描述符8
（5）/dev/ptmx查詢到關聯記錄 PTM:8對應PTS:/dev/pts/0，把ls轉發到/dev/pts/0當中
（6）3128從0 -> /dev/pts/0中讀取之後執行ls
（7）ls返回結果之後寫入1 -> /dev/pts/0，然後根據關聯記錄回寫到/dev/ptmx
（8）3126從/dev/ptmx讀取之後返回到ssh client


六、參考資料

http://man7.org/linux/man-pages/man7/pty.7.html
http://man7.org/linux/man-pages/man4/pts.4.html
http://osr600doc.sco.com/en/SDK_sysprog/_Pseudo-tty_Drivers_em_ptm_and_p.html
https://unix.stackexchange.com/questions/79334/how-does-a-linux-terminal-work


至此，本文結束
在下才疏學淺，有撒湯漏水的，請各位不吝賜教...


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