深入理解TCP协议及其源代码

Posted 2020-11-26 sdwwwzaoy

一、TCP概述

简介：

　　传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。

主要功能：

　　当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，TCP则把数据流分割成适当长度的报文段，最大传输段大小（MSS）通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元（MTU）限制。之后TCP把数据包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

• 在数据正确性与合法性上，TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误，在发送和接收时都要计算校验和；同时可以使用md5认证对数据进行加密。
• 在保证可靠性上，采用超时重传和捎带确认机制。
• 在流量控制上，采用滑动窗口协议，协议中规定，对于窗口内未经确认的分组需要重传。
• 在拥塞控制上，采用TCP拥塞控制算法：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复。

 

二、TCP的三次握手

在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采用三次握手建立一个连接。

第一次握手：建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认； 

SYN：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)

第二次握手：服务器收到syn包,必须确认客户的SYN（ack=j+1）,同时自己也发送一个SYN包（syn=k）,即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态； 

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据

三次握手的过程如下图所示：

 

 

接下来跟踪分析connect及bind、listen、accept背后的三次握手

三、跟踪分析三次握手

　　前两次实验中，我们已经在MenuOS上能够完成TCP客户端和服务器发送和接收hello/hi，也就是MenuOS的网络可以正常工作。并且基于该程序对Socket API编程接口、 socket相关系统调用的内核处理函数进行了跟踪分析。这次试验，我们进一步跟踪分析connect及bind、listen、accept背后的三次握手。

首先再lab3目录下执行以下命令，在qemu中启动gdb server

qemu -kernel ../../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -append  nokaslr -s -S

连接gdb server，如下图所示：

执行完后QEMU虚拟机会启动

重开一个终端依次执行下面的命令

gdb
file ~/LinuxKernel/linux-5.0.1/vmlinux
target remote:1234
# 设置断点
b __sys_socket
b __sys_bind
b __sys_connect
b __sys_listen
b __sys_accept4

如下图：

 

 

 之后不断执行c命令，让程序不断执行直到replyhi程序结束，输入如下：

 

 

　　 由终端输出的断点可知，replyhi命令执行顺序为断点顺序为1,2,4,5,1,3,5，也能获得传入断点函数的参数，接下来，找到socket.c找到对应的代码，分析程序的执行过程。

    __sys_socket

int __sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
    int retval;
    struct socket *sock;
    int flags;

    /* 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);

    flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;
    type &= SOCK_TYPE_MASK;

    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
    if (retval < 0)
        return retval;

    return sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
}

__sys_socket函数创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket

__sys_bind

int __sys_bind(int fd, struct sockaddr __user *umyaddr, int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    struct sockaddr_storage address;
    int err, fput_needed;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
        err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, &address);
        if (!err) {
            err = security_socket_bind(sock,
                           (struct sockaddr *)&address,
                           addrlen);
            if (!err)
                err = sock->ops->bind(sock,
                              (struct sockaddr *)
                              &address, addrlen);
        }
        fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

__sys_bind指定本地地址。在某个知名端口上操作的服务器进程必须要对系统指定本地端口，所以一旦创建了一个套接字，服务器就必须使用

__sys_bind为套接字建立一个本地地址。

__sys_connect

int __sys_connect(int fd, struct sockaddr __user *uservaddr, int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    struct sockaddr_storage address;
    int err, fput_needed;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;
    err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, &address);
    if (err < 0)
        goto out_put;

    err =
        security_socket_connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen);
    if (err)
        goto out_put;

    err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
                 sock->file->f_flags);
out_put:
    fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
    return err;
}

将套接字连接到目的地址。客户机可以调用connect()为套接字绑定一个永久的目的地址，将它置于已连接状态。对数据流方式的套接字，必须在传输数据前，
调用__sys_connect()构造一个与目的地的TCP连接，并在不能构造连接时返回一个差错代码。

__sys_listen

int __sys_listen(int fd, int backlog)
{
    struct socket *sock;
    int err, fput_needed;
    int somaxconn;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
        somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
        if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
            backlog = somaxconn;

        err = security_socket_listen(sock, backlog);
        if (!err)
            err = sock->ops->listen(sock, backlog);

        fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

__sys_listen设置等待连接状态。对于一个服务器的程序，当申请到套接字，并调用__sys_bind与本地地址绑定后，就应该等待某个客户机的程序来要求连接。
__sys_listen就是把一个套接字设置为这种状态的函数。

__sys_accept4

int __sys_accept4(int fd, struct sockaddr __user *upeer_sockaddr,
          int __user *upeer_addrlen, int flags)
{
    struct socket *sock, *newsock;
    struct file *newfile;
    int err, len, newfd, fput_needed;
    struct sockaddr_storage address;

    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;

    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;

    err = -ENFILE;
    newsock = sock_alloc();
    if (!newsock)
        goto out_put;

    newsock->type = sock->type;
    newsock->ops = sock->ops;

    /*
     * We don‘t need try_module_get here, as the listening socket (sock)
     * has the protocol module (sock->ops->owner) held.
     */
    __module_get(newsock->ops->owner);

    newfd = get_unused_fd_flags(flags);
    if (unlikely(newfd < 0)) {
        err = newfd;
        sock_release(newsock);
        goto out_put;
    }
    newfile = sock_alloc_file(newsock, flags, sock->sk->sk_prot_creator->name);
    if (IS_ERR(newfile)) {
        err = PTR_ERR(newfile);
        put_unused_fd(newfd);
        goto out_put;
    }

    err = security_socket_accept(sock, newsock);
    if (err)
        goto out_fd;

    err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags, false);
    if (err < 0)
        goto out_fd;

    if (upeer_sockaddr) {
        len = newsock->ops->getname(newsock,
                    (struct sockaddr *)&address, 2);
        if (len < 0) {
            err = -ECONNABORTED;
            goto out_fd;
        }
        err = move_addr_to_user(&address,
                    len, upeer_sockaddr, upeer_addrlen);
        if (err < 0)
            goto out_fd;
    }

    /* File flags are not inherited via accept() unlike another OSes. */

    fd_install(newfd, newfile);
    err = newfd;

out_put:
    fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
    return err;
out_fd:
    fput(newfile);
    put_unused_fd(newfd);
    goto out_put;
}

__sys_accept4接受连接请求。服务器进程使用系统调用socket，bind和listen创建一个套接字，将它绑定到知名的端口，并指定连接请求的队列长度。然后，服务器调用Accept进入等待状态，直到到达一个连接请求。

 

由以上分析可总结出TCP三次握手建立连接函数执行过程：

　　服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。