网络通信与信息安全之深入解析TCP连接中如何确定客户端的端口号

Posted 2021-12-11 Forever_wj

一、前言

• 在 TCP 连接中，客户端在发起连接请求前会先确定一个客户端的端口，然后用这个端口去和服务器端进行握手建立连接。那么在 Linux 上，客户端的端口到底是如何被确定下来的呢？
• 事实上，我们平时很多遇到的问题都和这个端口选择过程相关，如果能深度理解这个过程，将有助于我们对这些问题进行更深刻理解：
• • Cannot assign requested address 报错是怎么回事？
• • 一个客户端的端口可以同时用在两条 TCP 连接上吗？
• 借助一段简单到只有两句的代码说起：

int main() {
   fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
   connect(fd, ...);
   ...
}

二、创建 socket

• 客户端在发起连接的时候，需要事先创建一个 socket。在 c 语言中，就是调用 socket 函数，如下：

socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0)

• socket 函数执行完毕后，在用户层视角，可以看到返回一个文件描述符 fd，但在内核中其实是一套内核对象组合，大体结构如下：

• 从上图可以看到，socket 在内核里并不是一个内核对象，而是包含 file、socket、sock 等多个相关内核对象构成，每个内核对象还定义了 ops 操作函数集合，这些内核对象都是在 socket 系统调用执行过程中创建出来的。为了避免喧宾夺主，这里只列出入口代码，详细过程就不展开介绍。

// file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol) {
    // 创建 socket、sock 等内核对象，并初始化
    sock_create(family, type, protocol, &sock);

    // 创建 file 内核对象，申请 fd
    sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));

    ......
}

三、connect 发起连接

① connect 调用链展开

• 当在客户端机上调用 connect 函数的时候，事实上会进入到内核的系统调用源码中进行执行：

// file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE3(connect, int, fd, struct sockaddr __user *, uservaddr,
  int, addrlen) {
    struct socket *sock;

    // 根据用户 fd 查找内核中的 socket 对象
    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);

    // 进行 connect
    err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
      sock->file->f_flags);
    ...
}

• 从上面的代码可以看出：首先根据用户传入的 fd（文件描述符）来查询对应的 socket 内核对象。了解了上文中的 socket 内核对象结构，据此可以知道接下来 sock->ops->connect 其实调用的是 inet_stream_connect 函数：

// file: ipv4/af_inet.c
int inet_stream_connect(struct socket *sock, ...) { 
   ...
   __inet_stream_connect(sock, uaddr, addr_len, flags);
}

int __inet_stream_connect(struct socket *sock, ...) {
   struct sock *sk = sock->sk;

   switch (sock->state) {
      case SS_UNCONNECTED:
      err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
      sock->state = SS_CONNECTING;
      break;
   }
   ...
}

• 刚创建完毕的 socket 的状态就是 SS_UNCONNECTED，所以在 __inet_stream_connect 中的 switch 判断会进入到 case SS_UNCONNECTED 的处理逻辑中。
• 上述代码中 sk 取的是 sock 对象，继续回顾上文中的 socket 的内核数据结构图，可以得知 sk->sk_prot->connect 实际上对应的是 tcp_v4_connect 方法。
• 现在来看 tcp_v4_connect 的代码，它位于 net/ipv4/tcp_ipv4.c：

// file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) {
   // 设置 socket 状态为 TCP_SYN_SENT
   tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);

   // 动态选择一个端口
   err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);

   // 函数用来根据 sk 中的信息，构建一个完成的 syn 报文，并将它发送出去
   err = tcp_connect(sk);
}

• 在 tcp_v4_connect 中终于看到了选择端口的函数，那就是 inet_hash_connect。

② 选择可用端口

• 找到 inet_hash_connect 的源码，来看看到底端口是如何选择出来的：

// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int inet_hash_connect(struct inet_timewait_death_row *death_row,
        struct sock *sk) {
   return __inet_hash_connect(death_row, sk, inet_sk_port_offset(sk),
   __inet_check_established, __inet_hash_nolisten);
}

• 这里需要提一下在调用 __inet_hash_connect 时传入的两个重要参数：
• • inet_sk_port_offset(sk)：这个函数是根据要连接的目的 IP 和端口等信息生成一个随机数；
• • __inet_check_established：检查是否和现有 ESTABLISH 的连接是否冲突的时候用的函数。
• 了解了这两个参数后，继续进入 __inet_hash_connect，这个函数比较长，为了方便理解，先看前面这一段：

// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...) {
    // 是否绑定过端口
    const unsigned short snum = inet_sk(sk)->inet_num;

    // 获取本地端口配置
    inet_get_local_port_range(&low, &high);
    remaining = (high - low) + 1;

    if (!snum) {
       // 遍历查找
       for (i = 1; i <= remaining; i++) {
          port = low + (i + offset) % remaining;
          ...
       }
    }
}

• 在这个函数中首先判断了 inet_sk(sk)->inet_num，如果调用过 bind，那么这个函数会选择好端口并设置在 inet_num 上。这里假设没有调用过 bind，所以 snum 为 0。
• 接着调用 inet_get_local_port_range，这个函数读取的是 net.ipv4.ip_local_port_range 这个内核参数，来读取管理员配置的可用的端口范围：

该参数的默认值是 32768 61000，意味着端口总可用的数量是 61000 - 32768 = 28232 个。如果你觉得这个数字不够用，那就修改你的 net.ipv4.ip_local_port_range 内核参数。

• 接下来进入到了 for 循环中，其中 offset 是前面所说的，通过 inet_sk_port_offset(sk) 计算出的随机数，那这段循环的作用就是从某个随机数开始，把整个可用端口范围来遍历一遍，直到找到可用的端口后停止。
• 那么接着来看，如何来确定一个端口是否可以使用呢？

// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...) {
  for (i = 1; i <= remaining; i++) {
  port = low + (i + offset) % remaining;

  // 查看是否是保留端口，是则跳过
  if (inet_is_reserved_local_port(port))
   continue;

  // 查找和遍历已经使用的端口的哈希链表
  head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, port,
    hinfo->bhash_size)];
  inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain) {

   // 如果端口已经被使用
   if (net_eq(ib_net(tb), net) &&
       tb->port == port) {

	// 通过 check_established 继续检查是否可用
    if (!check_established(death_row, sk,
       port, &tw))
     goto ok;
   }
  }

  // 未使用的话，直接 ok
  goto ok;
 }

 return -EADDRNOTAVAIL;
ok: 
 ...  
}

• 首先判断的是 inet_is_reserved_local_port，这个很简单，就是判断要选择的端口是否在 net.ipv4.ip_local_reserved_ports 中，在的话就不能用（如果因为某种原因不希望某些端口被内核使用，那么就把它们写到 ip_local_reserved_ports 这个内核参数中就行）。
• 整个系统中会维护一个所有使用过的端口的哈希表，它就是 hinfo->bhash，接下来的代码就会在这里进行查找。如果在哈希表中没有找到，那么说明这个端口是可用的，至此端口就算是找到了。
• 遍历完所有端口都没找到合适的，就返回 -EADDRNOTAVAIL，在用户程序上看到的就是 Cannot assign requested address 这个错误，怎么样？是不是很眼熟，有没有？我相信大家都见过它的，对吧？

/* Cannot assign requested address */
#define EADDRNOTAVAIL 99 

• 以后当再遇到 Cannot assign requested address 错误，我们应该想到去查一下 net.ipv4.ip_local_port_range 中设置的可用端口的范围是不是太小了。

③ 端口被使用过怎么办？

• 回顾刚才的 __inet_hash_connect， 为了描述简单，我们之前跳过了已经在 bhash 中存在时候的判断，这是由于其一这个过程比较长，其二这段逻辑很有价值：

// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...) {
 for (i = 1; i <= remaining; i++) {
  port = low + (i + offset) % remaining;

  ...
  // 如果端口已经被使用
  if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == port) {
   // 通过 check_established 继续检查是否可用
   if (!check_established(death_row, sk, port, &tw))
    goto ok;
  }
 }
}

• port 已经在 bhash 中如果已经存在，就表示有其它的连接使用过该端口；如果 check_established 返回 0，该端口仍然可以接着使用。可能你会有困惑，一个端口怎么可以被用多次呢？
• 回忆下四元组的概念，两对儿四元组中只要任意一个元素不同，都算是两条不同的连接。以下的两条 TCP 连接完全可以同时存在（假设 192.168.1.101 是客户端，192.168.1.100 是服务端）

连接1：192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8090
连接2：192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8091

• check_established 作用就是检测现有的 TCP 连接中是否四元组和要建立的连接四元素完全一致，如果不完全一致，那么该端口仍然可用。这个 check_established 是由调用方传入的，实际上使用的是 __inet_check_established，我们来看它的源码：

// file: net/ipv4/inet_hashtables.c
static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,
        struct sock *sk, __u16 lport,
        struct inet_timewait_sock **twp)
{
 // 找到hash桶
 struct inet_ehash_bucket *head = inet_ehash_bucket(hinfo, hash);

 // 遍历看看有没有四元组一样的，一样的话就报错
 sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->chain) {
  if (sk2->sk_hash != hash)
   continue;
  if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie,
          saddr, daddr, ports, dif)))
   goto not_unique;
 }

unique:
 // 要用了，记录，返回 0 （成功）
 return 0;
not_unique:
 return -EADDRNOTAVAIL; 
}

• 该函数首先找到 inet_ehash_bucket，这个和 bhash 类似，只不过是所有 ESTABLISH 状态的 socket 组成的哈希表，然后遍历这个哈希表，使用 INET_MATCH 来判断是否可用。
• INET_MATCH 源码如下：

// include/net/inet_hashtables.h
#define INET_MATCH(__sk, __net, __cookie, __saddr, __daddr, __ports, __dif) \\
 ((inet_sk(__sk)->inet_portpair == (__ports)) &&  \\
  (inet_sk(__sk)->inet_daddr == (__saddr)) &&  \\
  (inet_sk(__sk)->inet_rcv_saddr == (__daddr)) &&  \\
  (!(__sk)->sk_bound_dev_if ||    \\
    ((__sk)->sk_bound_dev_if == (__dif)))  &&  \\
  net_eq(sock_net(__sk), (__net)))

• 在 INET_MATCH 中将 __saddr、__daddr、__ports 都进行了比较，当然除了 ip 和端口，INET_MATCH还比较了其它一些东西，所以 TCP 连接还有五元组、七元组之类的说法。为了统一，这里还是沿用四元组的说法：
• • 如果 MATCH，就是说就四元组完全一致的连接，所以这个端口不可用，也返回 -EADDRNOTAVAIL；
• • 如果不 MATCH，哪怕四元组中有一个元素不一样，例如服务器的端口号不一样，那么就 return 0，表示该端口仍然可用于建立新连接。
• 所以一台客户端机最大能建立的连接数并不是 65535，只要 server 足够多，单机发出百万条连接没有任何问题。

④ 发起 syn 请求

• 再回到 tcp_v4_connect，这时 inet_hash_connect 已经返回了一个可用端口，接下来就进入到 tcp_connect，如下源码所示：

// file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) {
 ......

 // 动态选择一个端口
 err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);

 // 函数用来根据 sk 中的信息，构建一个完成的 syn 报文，并将它发送出去
 err = tcp_connect(sk);
}

• 到这里，其实就和本文要讨论的主题没有太大的关系，所以只是简单看一下：

// file:net/ipv4/tcp_output.c
int tcp_connect(struct sock *sk) {
 // 申请并设置 skb
 buff = alloc_skb_fclone(MAX_TCP_HEADER + 15, sk->sk_allocation);
 tcp_init_nondata_skb(buff, tp->write_seq++, TCPHDR_SYN);

 // 添加到发送队列 sk_write_queue 上
 tcp_connect_queue_skb(sk, buff);

 // 实际发出 syn
 err = tp->fastopen_req ? tcp_send_syn_data(sk, buff) :
       tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);

 // 启动重传定时器
 inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
      inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
}

• tcp_connect 主要处理了以下逻辑：
• • 申请一个 skb，并将其设置为 SYN 包；
• • 添加到发送队列上；
• • 调用 tcp_transmit_skb 将该包发出；
• • 启动一个重传定时器，超时会重发。

四、bind 时端口如何选择

• 在上文中，我们看到 connect 选择端口之前先判断了 inet_sk(sk)->inet_num 有没有值，如果有的话就直接用这个，而会跳过端口选择过程。那么这个值是从哪儿来的呢？其实，它就是在对 socket 使用 bind 时设置的。
• 不只是服务器端，哪怕是对于客户端，也可以对 socket 使用 bind 来绑定 IP 或者端口，如果使用了 bind，那么在 bind 的时候就会确定好端口，并设置到 inet_num 变量中（一般非常不推荐在客户端角色下使用 bind，因为这会打乱 connect 里的端口选择过程）。
• bind 的时候，如果传了端口，那么 bind 就会尝试使用该端口，如果端口号传的是 0 ，那么 bind 有一套独立的选择端口号的逻辑：

// file: net/ipv4/af_inet.c
int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) {
 struct sock *sk = sock->sk;
 ...

 // 用户传入的端口号
 snum = ntohs(addr->sin_port);

 // 不允许绑定 1024 以下的端口
 if (snum && snum < PROT_SOCK &&
     !ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_BIND_SERVICE))
  goto out;

 // 尝试确定端口号
 if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
  inet->inet_saddr = inet->inet_rcv_saddr = 0;
  err = -EADDRINUSE;
  goto out_release_sock;
 }

• 根据上文中的 socket 内核对象，能找到 sk->sk_prot->get_port 实际调用的是 inet_csk_get_port，该函数来尝试确定端口号，如果尝试失败，返回 EADDRINUSE，应用程序将会显示一条错误信息 “Address already in use”。

#define EADDRINUSE 226 /* Address already in use */

• 简单看一下，如果用户没有传入端口（传入的为 0），bind 是怎么选择端口的：

// file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum) {
 ...

 if (!snum) {
  inet_get_local_port_range(&low, &high);
  remaining = (high - low) + 1;
  smallest_rover = rover = net_random() % remaining + low;

  do {
   if (inet_is_reserved_local_port(rover))
    goto next_nolock;

   head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, rover,
      hashinfo->bhash_size)];
   inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)

    // 冲突检测
    if (!inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb, false)) {
     snum = rover;
     goto tb_found;
    }

  } while (--remaining > 0);
 }
}

• 这段逻辑和 connect 很像，通过 net_random 来从 net.ipv4.ip_local_port_range 指定的端口范围内一个随机位置开始遍历，也会跳开 ip_local_reserved_ports 保留端口配置，通过 inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict 进行冲突检测。
• inet_csk_bind_conflict 这个函数整体比较复杂，不过只需要了解一点就好，该函数和 connect 中端口选择逻辑不同的是，并不会到 ESTABLISH 的哈希表进行可用检测，只在 bind 状态的 socket 里查。所以默认情况下，只要端口用过一次就不会再次使用。

五、结论

• 客户端建立连接前需要确定一个端口，该端口会在两个位置进行确定。
• 第一个位置，也是最主要的确定时机是 connect 系统调用执行过程。
• • 在 connect 的时候，会随机地从 ip_local_port_range 选择一个位置开始循环判断；找到可用端口后，发出 syn 握手包，如果端口查找失败，会报错 “Cannot assign requested address”，这时，应该首先想到去检查一下服务器上的 net.ipv4.ip_local_port_range 参数，是不是可以再放的多一些。
• • 如果因为某种原因不希望某些端口被使用到，那么就把它们写到 ip_local_reserved_ports 这个内核参数中就行了，内核在选择的时候会跳过这些端口。
• • 另外注意即使是一个端口是可以被用于多条 TCP 连接的，所以一台客户端机最大能建立的连接数并不是 65535，只要 server 足够多，单机发出百万条连接没有任何问题。
• • 如下所示，在客户机上实验时的实际截图，来实际看一下一个端口号确实是被用在了多条连接上：

• • 截图中左边的 192 是客户端，右边的 119 是服务器的 ip，可以看到客户端的 10000 这个端口号是用在了多条连接上了的。
• 第二个位置，如果在 connect 之前使用了 bind，将会使得 connect 时的端口选择方式无效，转而使用 bind 时确定的端口。
• • bind 时如果传入了端口号，会尝试首先使用该端口号，如果传入了 0 ，也会自动选择一个。但默认情况下一个端口只会被使用一次，所以对于客户端角色的 socket，不建议使用 bind。
• • 上面的选择端口的都是从 ip_local_port_range 范围中的某一个随机位置开始循环的，如果可用端口很充足，则能快一点找到可用端口，那循环很快就能退出。
• • 假设实际中 ip_local_port_range 中的端口快被用光，这时候内核就大概率得把循环多执行很多轮才能找到，这会导致 connect 系统调用的 CPU 开销的上涨。
• • 所以，最好不要等到端口不够用了才加大 ip_local_port_range 的范围，而是事先就应该保持一个充足的范围。