TCP源码分析 - 三次握手之 connect 过程

Posted 2021-04-23 Linux内核那些事

本文主要分析 TCP 协议的实现，但由于 TCP 协议比较复杂，所以分几篇文章进行分析，这篇主要介绍 TCP 协议建立连接时的三次握手过程。

TCP 协议应该是 TCP/IP 协议栈中最为复杂的一个协议（没有之一），TCP 协议的复杂性来源于其面向连接和保证可靠传输。

如下图所示，TCP 协议位于 TCP/IP 协议栈的第四层，也就是传输层，其建立在网络层的 IP 协议。

但由于 IP 协议是一个无连接不可靠的协议，所以 TCP 协议要实现面向连接的可靠传输，就必须为每个 CS（Client - Server） 连接维护一个连接状态。由此可知，TCP 协议的连接只是维护了一个连接状态，而非真正的连接。

由于本文主要介绍 Linux 内核是怎么实现 TCP 协议的，如果对 TCP 协议的原理不是很清楚的话，可以参考著名的《TCP/IP协议详解》。

三次握手过程

我们知道，TCP 协议是建立在无连接的 IP 协议之上，而为了实现面向连接，TCP 协议使用了一种协商的方式来建立连接状态，称为：三次握手。三次握手 的过程如下图：

建立连接过程如下：

• 客户端需要发送一个 SYN包 到服务端（包含了客户端初始化序列号），并且将连接状态设置为 SYN_SENT。

• 服务端接收到客户端的 SYN包 后，需要回复一个 SYN+ACK包 给客户端（包含了服务端初始化序列号），并且设置连接状态为 SYN_RCVD。

• 客户端接收到服务端的 SYN+ACK包 后，设置连接状态为 ESTABLISHED（表示连接已经建立），并且回复一个 ACK包 给服务端。

• 服务端接收到客户端的 ACK包 后，将连接状态设置为 ESTABLISHED（表示连接已经建立）。

以上过程完成后，一个 TCP 连接就此建立完成。

TCP 头部

要分析 TCP 协议就免不了要了解 TCP 协议头部，我们通过下面的图片来介绍 TCP 头部的格式：

下面介绍一下 TCP 头部各个字段的作用：

• 源端口号：用于指定本地程序绑定的端口。

• 目的端口号：用于指定远端程序绑定的端口。

• 序列号：用于本地发送数据时所使用的序列号。

• 确认号：用于本地确认接收到远端发送过来的数据序列号。

• 首部长度：指示 TCP 头部的长度。

• 标志位：用于指示 TCP 数据包的类型。

• 窗口大小：用于流量控制，表示远端能够接收数据的能力。

• 校验和：用于校验数据包是否在传输时损坏了。

• 紧急指针：一般比较少用，用于指定紧急数据的偏移量（URG 标志位为1时有效）。

• 可选项：TCP的选项部分。

我们来看看 Linux 内核怎么定义 TCP 头部的结构，如下：

struct tcphdr { __u16 source; // 源端口 __u16 dest; // 目的端口 __u32 seq; // 序列号 __u32 ack_seq; // 确认号 __u16 doff:4, // 头部长度 res1:4, // 保留 res2:2, // 保留 urg:1, // 是否包含紧急数据 ack:1, // 是否ACK包 psh:1, // 是否Push包 rst:1, // 是否Reset包 syn:1, // 是否SYN包 fin:1; // 是否FIN包 __u16 window; // 滑动窗口 __u16 check; // 校验和 __u16 urg_ptr; // 紧急指针};

从上面的定义可知，结构 tcphdr 的各个字段与 TCP 头部的各个字段一一对应。

客户端连接过程

一个 TCP 连接是由客户端发起的，当客户端程序调用 connect() 系统调用时，就会与服务端程序建立一个 TCP 连接。connect() 系统调用的原型如下：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

下面是 connect() 系统调用各个参数的作用：

• sockfd：由 socket() 系统调用创建的文件句柄。

• addrlen：指定参数 addr 的长度。

当客户端调用 connect() 函数时，会触发内核调用 sys_connect() 内核函数，sys_connect() 函数实现如下：

int sys_connect(int fd, struct sockaddr *uservaddr, int addrlen){ struct socket *sock; char address[MAX_SOCK_ADDR]; int err; ... // 获取文件句柄对应的socket对象 sock = sockfd_lookup(fd, &err); ... // 从用户空间复制要连接的远端IP地址和端口信息 err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, address); ... // 调用 inet_stream_connect() 函数完成连接操作 err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)address, addrlen, sock->file->f_flags); ... return err;}

sys_connect() 内核函数主要完成 3 个步骤：

• 调用 sockfd_lookup() 函数获取 fd 文件句柄对应的 socket 对象。

• 调用 inet_stream_connect() 函数完成连接操作。

我们继续分析 inet_stream_connect() 函数的实现：

int inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr * uaddr, int addr_len, int flags){ struct sock *sk = sock->sk; int err; ... if (sock->state == SS_CONNECTING) { ... } else { // 尝试自动绑定一个本地端口 if (inet_autobind(sk) != 0)  return(-EAGAIN); ... // 调用 tcp_v4_connect() 进行连接操作 err = sk->prot->connect(sk, uaddr, addr_len); if (err < 0) return(err); sock->state = SS_CONNECTING; } ... // 如果 socket 设置了非阻塞, 并且连接还没建立, 那么返回 EINPROGRESS 错误 if (sk->state != TCP_ESTABLISHED && (flags & O_NONBLOCK)) return (-EINPROGRESS);
 // 等待连接过程完成 if (sk->state == TCP_SYN_SENT || sk->state == TCP_SYN_RECV) { inet_wait_for_connect(sk); if (signal_pending(current)) return -ERESTARTSYS; } sock->state = SS_CONNECTED; // 设置socket的状态为connected ... return(0);}

inet_stream_connect() 函数的主要操作有以下几个步骤：

• 调用 inet_autobind() 函数尝试自动绑定一个本地端口。

• 调用 tcp_v4_connect() 函数进行 TCP 协议的连接操作。

• 如果 socket 设置了非阻塞，并且连接还没建立完成，那么返回 EINPROGRESS 错误。

• 调用 inet_wait_for_connect() 函数等待连接服务端操作完成。

• 设置 socket 的状态为 SS_CONNECTED，表示连接已经建立完成。

在上面的步骤中，最重要的是调用 tcp_v4_connect() 函数进行连接操作，我们来分析一下 tcp_v4_connect() 函数的实现：

int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len){ struct tcp_opt *tp = &(sk->tp_pinfo.af_tcp); struct sockaddr_in *usin = (struct sockaddr_in *)uaddr; struct sk_buff *buff; struct rtable *rt; u32 daddr, nexthop; int tmp; ... nexthop = daddr = usin->sin_addr.s_addr; ... // 1. 获取发送数据的路由信息 tmp = ip_route_connect(&rt, nexthop, sk->saddr, RT_TOS(sk->ip_tos)|RTO_CONN|sk->localroute, sk->bound_dev_if); ... dst_release(xchg(&sk->dst_cache, rt)); // 2. 设置sk的路由信息
 // 3. 申请一个skb数据包对象 buff = sock_wmalloc(sk, (MAX_HEADER + sk->prot->max_header), 0, GFP_KERNEL); ... sk->dport = usin->sin_port; // 4. 设置目的端口 sk->daddr = rt->rt_dst; // 5. 设置目的IP地址 ... if (!sk->saddr) sk->saddr = rt->rt_src; // 6. 如果没有指定源IP地址, 那么使用路由信息的源IP地址 sk->rcv_saddr = sk->saddr; ... // 7. 初始化TCP序列号 tp->write_seq = secure_tcp_sequence_number(sk->saddr, sk->daddr, sk->sport, usin->sin_port); ... // 8. 重置TCP最大报文段大小 tp->mss_clamp = ~0; ... // 9. 调用 tcp_connect() 函数继续进行连接操作 tcp_connect(sk, buff, rt->u.dst.pmtu); return 0;}

tcp_v4_connect() 函数只是做一些连接前的准备工作，如下：

• 调用 ip_route_connect() 函数获取发送数据的路由信息，并且将路由信息保存到 socket 对象的路由缓存中。

• 调用 sock_wmalloc() 函数申请一个 skb 数据包对象。

• 调用 secure_tcp_sequence_number() 函数初始化 TCP 序列号。

• 重置 TCP 协议最大报文段的大小。

• 调用 tcp_connect() 函数发送 SYN包 给服务端程序。

由于 TCP三次握手 的第一步是由客户端发送 SYN包 给服务端，所以我们主要关注 tcp_connect() 函数的实现，其代码如下：

void tcp_connect(struct sock *sk, struct sk_buff *buff, int mtu){ struct dst_entry *dst = sk->dst_cache; struct tcp_opt *tp = &(sk->tp_pinfo.af_tcp);
 skb_reserve(buff, MAX_HEADER + sk->prot->max_header); // 保留所有的协议头部空间
 tp->snd_wnd = 0; tp->snd_wl1 = 0; tp->snd_wl2 = tp->write_seq; tp->snd_una = tp->write_seq; tp->rcv_nxt = 0; sk->err = 0; // 设置TCP头部长度 tp->tcp_header_len = sizeof(struct tcphdr) + (sysctl_tcp_timestamps ? TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED : 0); ... tcp_sync_mss(sk, mtu); // 设置TCP报文段最大长度 ... TCP_SKB_CB(buff)->flags = TCPCB_FLAG_SYN; // 设置SYN标志为1(表示这是一个SYN包) TCP_SKB_CB(buff)->sacked = 0; TCP_SKB_CB(buff)->urg_ptr = 0; buff->csum = 0; TCP_SKB_CB(buff)->seq = tp->write_seq++; // 设置序列号 TCP_SKB_CB(buff)->end_seq = tp->write_seq; // 设置确认号 tp->snd_nxt = TCP_SKB_CB(buff)->end_seq;
 // 初始化滑动窗口的大小 tp->window_clamp = dst->window; tcp_select_initial_window(sock_rspace(sk)/2, tp->mss_clamp, &tp->rcv_wnd, &tp->window_clamp, sysctl_tcp_window_scaling, &tp->rcv_wscale); ... tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT); // 设置 socket 的状态为 SYN_SENT
 // 调用 tcp_v4_hash() 函数把 socket 添加到 tcp_established_hash 哈希表中 sk->prot->hash(sk);
 tp->rto = dst->rtt; tcp_init_xmit_timers(sk); // 设置超时重传定时器 ... // 把 skb 添加到 write_queue 队列中, 用于重传时使用 __skb_queue_tail(&sk->write_queue, buff); TCP_SKB_CB(buff)->when = jiffies; ... // 调用 tcp_transmit_skb() 函数构建 SYN 包发送给服务端程序 tcp_transmit_skb(sk, skb_clone(buff, GFP_KERNEL)); ...}

tcp_connect() 函数的实现虽然比较长，但是逻辑相对简单，就是设置 TCP 头部各个字段的值，然后把数据包发送给服务端。下面列出 tcp_connect() 函数主要的工作：

• 设置 TCP 头部的 SYN 标志位 为 1 (表示这是一个 SYN包)。

• 设置 TCP 头部的序列号和确认号。

• 初始化滑动窗口的大小。

• 设置 socket 的状态为 SYN_SENT，可参考上面三次握手的状态图。

• 设置超时重传定时器。

• 把 skb 添加到 write_queue 队列中, 用于超时重传。

• 调用 tcp_transmit_skb() 函数构建 SYN包 发送给服务端程序。

注意：Linux 内核通过 tcp_established_hash 哈希表来保存所有的 TCP 连接 socket 对象，而哈希表的键值就是连接的 IP 和端口，所以可以通过连接的 IP 和端口从 tcp_established_hash 哈希表中快速找到对应的 socket 连接。如下图所示：

通过上面的分析，构建 SYN包 并且发送给服务端是通过 tcp_transmit_skb() 函数完成的，所以我们来分析一下 tcp_transmit_skb() 函数的实现：

void tcp_transmit_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb){ if (skb != NULL) { struct tcp_opt *tp = &(sk->tp_pinfo.af_tcp); struct tcp_skb_cb *tcb = TCP_SKB_CB(skb); int tcp_header_size = tp->tcp_header_len; struct tcphdr *th; ... // TCP头部指针 th = (struct tcphdr *)skb_push(skb, tcp_header_size); skb->h.th = th;
 skb_set_owner_w(skb, sk);
 // 构建 TCP 协议头部 th->source = sk->sport; // 源端口 th->dest = sk->dport; // 目标端口 th->seq = htonl(TCP_SKB_CB(skb)->seq); // 请求序列号 th->ack_seq = htonl(tp->rcv_nxt); // 应答序列号 th->doff = (tcp_header_size >> 2); // 头部长度 th->res1 = 0; *(((__u8 *)th) + 13) = tcb->flags; // 设置TCP头部的标志位
 if (!(tcb->flags & TCPCB_FLAG_SYN)) th->window = htons(tcp_select_window(sk)); // 滑动窗口大小
 th->check = 0; // 校验和 th->urg_ptr = ntohs(tcb->urg_ptr); // 紧急指针 ... // 计算TCP头部的校验和 tp->af_specific->send_check(sk, th, skb->len, skb); ... tp->af_specific->queue_xmit(skb); // 调用 ip_queue_xmit() 函数发送数据包 }}

tcp_transmit_skb() 函数的实现相对简单，就是构建 TCP 协议头部，然后调用 ip_queue_xmit() 函数将数据包交由 IP 协议发送出去。

至此，客户端就发送了一个 SYN包 给服务端，也就是说，TCP 三次握手 的第一步已经完成。

下一篇文章，我们将会分析 TCP 三次握手 的第二步，也就是服务端接收到客户端发送过来的 SYN包 时对应的处理。