深入理解TCP协议及其源代码

Posted 2021-03-20 xqqu

Socket

　　在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。
socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。
我的理解就是Socket就是该模式的一个实现：即socket是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。
Socket()函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

Socket是利用三元组解决网络通信的一个中间件工具，就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，如UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰）。
Socket通信的数据传输方式，常用的有两种：

　　ａ、SOCK_STREAM：表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。

　　ｂ、SOCK_DGRAM：表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。

　　例如：QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响

TCP协议

TCP协议全称: 传输控制协议, 顾名思义, 就是要对数据的传输进行一定的控制.
先来看看它的报头

连接管理机制
正常情况下, tcp需要经过三次握手建立连接, 四次挥手断开连接.

那么什么是三次握手? 什么是四次挥手呢?

三次握手

第一次:
客户端 - - > 服务器 此时服务器知道了客户端要建立连接了
第二次:
客户端 < - - 服务器 此时客户端知道服务器收到连接请求了
第三次:
客户端 - - > 服务器 此时服务器知道客户端收到了自己的回应

到这里, 就可以认为客户端与服务器已经建立了连接.

再来看个图.

1, 客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。
释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。

2, 服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，确认序号为 u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。
TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3, 客户端收到服务器的确认请求后，此时客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最终数据）

4, 服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，确认序号为v+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

5, 客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，确认序号为w+1，而自己的序列号是u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

6, 服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

TCP初始化

TCP协议相关的代码主要集中在linux-5.0.1/net/ipv4/目录下，在linux-5.0.1/net/ipv4/af_inet.c中可以查看TCP/IP协议栈的初始化的函数入口inet_init:

static int __init inet_init(void)
{
　　...

    rc = proto_register(&tcp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out;
       
　　...

    /*
     *    Tell SOCKET that we are alive...
     */

    (void)sock_register(&inet_family_ops);
        
　　...

    /*
     *    Add all the base protocols.
     */

    ...

    if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol
", __func__);

    ...

    /* Register the socket-side information for inet_create. */
    for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
        INIT_LIST_HEAD(r);

    for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
        inet_register_protosw(q);

    ...

    /*
     *    Set the IP module up
     */

    ip_init();

    /* Setup TCP slab cache for open requests. */
    tcp_init();

　　...
}

fs_initcall(inet_init);    

　tcp_prot结构体可在linux-5.0.1/net/ipv4/tcp_ipv4.c中寻得，tcp_prot指定了TCP协议栈的访问接口函数，socket接口层里sock->opt->connect和sock->opt->accept对应的接口函数即是在这里制定的，sock->opt->connect实际调用的是tcp_v4_connect函数，sock->opt->accept实际调用的是inet_csk_accept函数。tcp_init函数可在linux-5.0.1/net/ipv4/tcp.c中寻得，其中关键的工作就是tcp_tasklet_init初始化了负责发送字节流进行滑动窗口管理的tasklet，即创建了线程来专门负责这个工作。相关代码如下所示：　

struct proto tcp_prot = {
    .name            = "TCP",
    .owner            = THIS_MODULE,
    .close            = tcp_close,
    .pre_connect        = tcp_v4_pre_connect,
    .connect        = tcp_v4_connect,
    .disconnect        = tcp_disconnect,
    .accept            = inet_csk_accept,
    .ioctl            = tcp_ioctl,
    .init            = tcp_v4_init_sock,
    .destroy        = tcp_v4_destroy_sock,
    .shutdown        = tcp_shutdown,
    .setsockopt        = tcp_setsockopt,
    .getsockopt        = tcp_getsockopt,
    .keepalive        = tcp_set_keepalive,
    .recvmsg        = tcp_recvmsg,
    .sendmsg        = tcp_sendmsg,
    .sendpage        = tcp_sendpage,
    .backlog_rcv        = tcp_v4_do_rcv,
    .release_cb        = tcp_release_cb,
    ...
};

void __init tcp_init(void)
{
    ...
    tcp_v4_init();
    tcp_metrics_init();
    BUG_ON(tcp_register_congestion_control(&tcp_reno) != 0);
    tcp_tasklet_init();
}

TCP三次握手跟踪　　

接下来我们对TCP“三次握手”的过程进行跟踪、验证和分析。在一个终端打开qemu启动MenuOS，在另一个终端用gdb读入linux-5.0.1的vmlinux，通过端口1234与qemu建立连接，设置断点如下：

 

 在qemu输入replyhi指令，然后在gdb中持续输入continue指令，直到无法继续；再在qemu中输入hello指令，然后在gdb中持续输入continue指令，直到无法继续。此时，qemu中指令已完成运行如下图所示：

 

 gdb中显示的函数调用顺序如下图所示：

 

 

 

 

　　Server端调用的inet_csk_accept函数会请求队列中取出一个连接请求，其源代码可在linux-5.0.1/net/ipv4/tcp_ipv4.c中寻得：

/*
 * This will accept the next outstanding connection.
 */
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err, bool kern)
{
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    struct request_sock_queue *queue = &icsk->icsk_accept_queue;
    struct request_sock *req;
    struct sock *newsk;
    int error;

    lock_sock(sk);

    /* We need to make sure that this socket is listening,
     * and that it has something pending.
     */
    error = -EINVAL;
    if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
        goto out_err;

    /* Find already established connection */
    if (reqsk_queue_empty(queue)) {
        long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);

        /* If this is a non blocking socket don‘t sleep */
        error = -EAGAIN;
        if (!timeo)
            goto out_err;

        error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
        if (error)
            goto out_err;
    }
    req = reqsk_queue_remove(queue, sk);
    newsk = req->sk;

    if (sk->sk_protocol == IPPROTO_TCP &&
        tcp_rsk(req)->tfo_listener) {
        spin_lock_bh(&queue->fastopenq.lock);
        if (tcp_rsk(req)->tfo_listener) {
            /* We are still waiting for the final ACK from 3WHS
             * so can‘t free req now. Instead, we set req->sk to
             * NULL to signify that the child socket is taken
             * so reqsk_fastopen_remove() will free the req
             * when 3WHS finishes (or is aborted).
             */
            req->sk = NULL;
            req = NULL;
        }
    ...return newsk;
    ...
}
EXPORT_SYMBOL(inet_csk_accept);

　　在linux-5.0.1/net/ipv4/tcp_ipv4.c中可寻得tcp_v4_connect函数的源代码：

/* This will initiate an outgoing connection. */
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
    ...
    rt = ip_route_connect(fl4, nexthop, inet->inet_saddr,
                  RT_CONN_FLAGS(sk), sk->sk_bound_dev_if,
                  IPPROTO_TCP,
                  orig_sport, orig_dport, sk);
    .../* Socket identity is still unknown (sport may be zero).
     * However we set state to SYN-SENT and not releasing socket
     * lock select source port, enter ourselves into the hash tables and
     * complete initialization after this.
     */
    tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);
    ...
    rt = ip_route_newports(fl4, rt, orig_sport, orig_dport,
                   inet->inet_sport, inet->inet_dport, sk);
    ...
    err = tcp_connect(sk);
    ...
}
EXPORT_SYMBOL(tcp_v4_connect);

　　tcp_v4_connect函数中调用的tcp_connect函数，源代码可在linux-5.0.1/net/ipv4/tcp_output.c中寻得：

/* Do all connect socket setups that can be done AF independent. */
static void tcp_connect_init(struct sock *sk)
{
    const struct dst_entry *dst = __sk_dst_get(sk);
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    __u8 rcv_wscale;
    u32 rcv_wnd;

    /* We‘ll fix this up when we get a response from the other end.
     * See tcp_input.c:tcp_rcv_state_process case TCP_SYN_SENT.
     */
    tp->tcp_header_len = sizeof(struct tcphdr);
    if (sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_timestamps)
        tp->tcp_header_len += TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED;

#ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG
    if (tp->af_specific->md5_lookup(sk, sk))
        tp->tcp_header_len += TCPOLEN_MD5SIG_ALIGNED;
#endif

    /* If user gave his TCP_MAXSEG, record it to clamp */
    if (tp->rx_opt.user_mss)
        tp->rx_opt.mss_clamp = tp->rx_opt.user_mss;
    tp->max_window = 0;
    tcp_mtup_init(sk);
    tcp_sync_mss(sk, dst_mtu(dst));

    tcp_ca_dst_init(sk, dst);

    if (!tp->window_clamp)
        tp->window_clamp = dst_metric(dst, RTAX_WINDOW);
    tp->advmss = tcp_mss_clamp(tp, dst_metric_advmss(dst));

    tcp_initialize_rcv_mss(sk);

    /* limit the window selection if the user enforce a smaller rx buffer */
    if (sk->sk_userlocks & SOCK_RCVBUF_LOCK &&
        (tp->window_clamp > tcp_full_space(sk) || tp->window_clamp == 0))
        tp->window_clamp = tcp_full_space(sk);

    rcv_wnd = tcp_rwnd_init_bpf(sk);
    if (rcv_wnd == 0)
        rcv_wnd = dst_metric(dst, RTAX_INITRWND);

    tcp_select_initial_window(sk, tcp_full_space(sk),
                  tp->advmss - (tp->rx_opt.ts_recent_stamp ? tp->tcp_header_len - sizeof(struct tcphdr) : 0),
                  &tp->rcv_wnd,
                  &tp->window_clamp,
                  sock_net(sk)->ipv4.sysctl_tcp_window_scaling,
                  &rcv_wscale,
                  rcv_wnd);

    tp->rx_opt.rcv_wscale = rcv_wscale;
    tp->rcv_ssthresh = tp->rcv_wnd;

    sk->sk_err = 0;
    sock_reset_flag(sk, SOCK_DONE);
    tp->snd_wnd = 0;
    tcp_init_wl(tp, 0);
    tcp_write_queue_purge(sk);
    tp->snd_una = tp->write_seq;
    tp->snd_sml = tp->write_seq;
    tp->snd_up = tp->write_seq;
    tp->snd_nxt = tp->write_seq;

    if (likely(!tp->repair))
        tp->rcv_nxt = 0;
    else
        tp->rcv_tstamp = tcp_jiffies32;
    tp->rcv_wup = tp->rcv_nxt;
    tp->copied_seq = tp->rcv_nxt;

    inet_csk(sk)->icsk_rto = tcp_timeout_init(sk);
    inet_csk(sk)->icsk_retransmits = 0;
    tcp_clear_retrans(tp);
}

static void tcp_connect_queue_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
    struct tcp_skb_cb *tcb = TCP_SKB_CB(skb);

    tcb->end_seq += skb->len;
    __skb_header_release(skb);
    sk->sk_wmem_queued += skb->truesize;
    sk_mem_charge(sk, skb->truesize);
    tp->write_seq = tcb->end_seq;
    tp->packets_out += tcp_skb_pcount(skb);
}