Bind系统调用

Posted 2020-08-22 Just a memo

Bind含义

一条tcp/udp 连接一般是有五元组进行标识的

{<proto>, <src addr>, <src port>, <dst addr>, <dst port>}

　　Bind一般是在server端调用，通过bind，会把本端的地址和端口号与socket描述符进行绑定，而目的地址和端口在connect的时候才能确定；对于client端是不需要bind（但是可以bind），client只要在connect的时候指定目的地址和端口，远端的地址和端口内核会自动填充。这其实也解释了为什么server端需要bind，因为需要一个众所周知的地址来让client进行连接。

SO_REUSEADDR

一般情况下，同一个端口只允许bind一次，port是不能复用的，但是如果设置了端口复用的话，就另当别论了。

在bind的时候，我们可以指定地址为INADDR_ANY（0.0.0.0 for ipv4， ：：for ipv6， wildcard address），这个地址意味这所有的本地地址，我们在连接的时候必须要选择一个具体的地址的。但是如果一个socketA bind了INADDR_ANY 和端口P，那么本地其他的任何进程都不能使用端口P。但是如果有一个socketB设置了SO_RESUEADDR选项，那么他是可以bind 端口P的。

所以选项SO_RESUEADDR的一个作用便是可以复用bind  INADDR_ANY地址的端口。

另外一个作用是复用TIME_WAIT状态的端口。TIME_WAIT状态有2个左右，第一是确保TCP的可靠的结束全双工的连接。试想在TCP断开连接的最后2个包，client收到server发送的FIN，发送ACK，如果此时ACK丢失，一段时间后sever端timeout重新发送FIN，如果client不是处于TIME_WAIT状态，client会发送RST，那么这个连接是没有被可靠的结束的。其第二个作用则是防止老的分组会在网络中消失。设想一条连接已经结束，过一段时间后，一条新的连接在相同的IP地址和端口上建立，如果上一个连接的某个分组因为在网络中delay，此时他到达client端。所以需要该状态以确保所有老的数据都消亡。

一个socket会在TIME_WAIT状态保持2MSL时间，这时如果想要在将一个socket bind到相同的地址和端口会失败。如果设置了SO_REUSEADDR则可以。

所以，SO_REUSEADDR的作用是：

1. 可以复用bind INADDR_ANY的地址的socket的端口。
2. 可以使用TIME_WAIT状态的socket的地址和端口。

UNP 中列举出了4种情况，第一个跟上面的2相同，第4种是允许完全重复的bind，但是要求协议支持。第二和三种其实都要求bind的本地地址不同。其实我们想一下，kernel是依靠五元组来区分一个连接的，即使是设置了REUSEADDR想要地址复用，但是依然是要能够相互区分才可以， 如上面的2是依靠TCP的TIME_WAIT状态来区分，而其他的则大部分是要求了本地的IP地址不同，。在Linux 上，经过我的实验，是要求所有的socket必须都要设置该标志才可以。

SO_REUSEPORT

该选项是允许bind 任意个socket到相同的地址和端口，只要所有的socket都设置了该选项。

Linux 实现

Linux bind的实现主要是在inet_csk_get_port.

1. 如果该socket设置了SO_RESUEPORT，且状态不为LISTEN，则允许复用。

bool reuse = sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN

2. 如果端口为0， 跳到4；如果指定了端口且不为0（0意味这由kernel自动选择端口）,则查找端口inet_bind_bucket，如果找到(端口已经在使用），则到tb_found.没有（端口没有被使用），则到tb_not_found.

head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, port, hinfo->bhash_size)];
inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
            if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == port)
                goto tb_found;
goto tb_not_found;jjj

3. 如果没有找到,则创建新的inet_bind_bucket，到达tb_found。在tb_found中，如果该端口已经有人在使用，在检查能否复用：

• socket设置了强制复用（sk->sk_resue == SK_FORCE_RESUE)
• socket设置了地址复用（SO_REUSEADDR, reuse 为true）且该端口的所有使用者也都允许地址复用（tb->fastreuse > 0)
• socket 设置了端口复用（SO_REUSEPORT, sk->sk_reuseport), 且该端口的所有使用者都允许端口复用（tb->fastreuseport > 0)，且socket的有效用户id等于port的有效用户id（uid_eq(tb->fastid, uid))

然后会检查复用port是否冲突bind_conflict。

如果该port没人在使用，则会设置fastresue 和fastreuseport。

 4. 此处由内核来选择port。linux 在此处做了一些优化，如使用了随机选择，使其分布均匀；如果设置了复用，则从端口的前半部分里选择端口；还有根据奇偶性做的优化。这部分代码相当的复杂，还是有些地方没看懂。