【转】tcp connection setup的实现

bind的实现:



先来介绍几个地址结构.

struct sockaddr 其实相当于一个基类的地址结构,其他的结构都能够直接转到sockaddr.举个例子比如当sa_family为PF_INET时,sa_data就包含了端口号和ip地址(in_addr结构).

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;  /* address family, AF_xxx   */
    char        sa_data[14];    /* 14 bytes of protocol address */
};

接下来就是sockaddr_in ,它表示了所有的ipv4的地址结构.可以看到他也就相当于sockaddr 的一个子类.

struct sockaddr_in {
  sa_family_t       sin_family; /* Address family       */
  __be16        sin_port;   /* Port number          */
  struct in_addr    sin_addr;   /* Internet address     */
  /* Pad to size of `struct sockaddr'. */
  unsigned char     __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -
            sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};

这里还有一个内核比较新的地质结构sockaddr_storage,他可以容纳所有类型的套接口结构,比如ipv4,ipv6..可以看到它是强制对齐的,相比于sockaddr.

struct __kernel_sockaddr_storage {
    unsigned short  ss_family;      /* address family */
///每个协议实现自己的地址结构.
    char        __data[_K_SS_MAXSIZE - sizeof(unsigned short)];
                /* space to achieve desired size, */
                /* _SS_MAXSIZE value minus size of ss_family */
} __attribute__ ((aligned(_K_SS_ALIGNSIZE)));   /* force desired alignment */

接下来看几个和bind相关的数据结构:

第一个是inet_hashinfo,它主要用来管理 tcp的bind hash bucket(在tcp的初始化函数中会将tcp_hashinfo初始化.然后在tcp_prot中会将tcp_hashinfo付给结构体h,然后相 应的我们就可以通过sock中的sock_common域来存取这个值).后面我们会分析这个流程.

struct inet_hashinfo {
    /* This is for sockets with full identity only.  Sockets here will
     * always be without wildcards and will have the following invariant:
     *
     *          TCP_ESTABLISHED <= sk->sk_state < TCP_CLOSE
     *
     * TIME_WAIT sockets use a separate chain (twchain).
     */
///下面会分析这个结构.
    struct inet_ehash_bucket    *ehash;
    rwlock_t            *ehash_locks;
    unsigned int            ehash_size;
    unsigned int            ehash_locks_mask;

    /* Ok, let's try this, I give up, we do need a local binding
     * TCP hash as well as the others for fast bind/connect.
     */
///表示所有的已经在使用的端口号的信息.这里bhash也就是一个hash链表,而链表的元素是inet_bind_bucket,紧接着我们会分析这个结构.
    struct inet_bind_hashbucket *bhash;

    unsigned int            bhash_size;
    /* Note : 4 bytes padding on 64 bit arches */

    /* All sockets in TCP_LISTEN state will be in here.  This is the only
     * table where wildcard'd TCP sockets can exist.  Hash function here
     * is just local port number.
     */
///listening_hash表示所有的处于listen状态的socket.
    struct hlist_head       listening_hash[INET_LHTABLE_SIZE];

    /* All the above members are written once at bootup and
     * never written again _or_ are predominantly read-access.
     *
     * Now align to a new cache line as all the following members
     * are often dirty.
     */
    rwlock_t            lhash_lock ____cacheline_aligned;
    atomic_t            lhash_users;
    wait_queue_head_t       lhash_wait;
    struct kmem_cache           *bind_bucket_cachep;
};

struct inet_ehash_bucket管理所有的tcp状态在TCP_ESTABLISHED和TCP_CLOSE之间的socket.这里要注意,twchain表示处于TIME_WAIT的socket.

struct inet_ehash_bucket {
    struct hlist_head chain;
    struct hlist_head twchain;
};

inet_bind_bucket结构就是每个使用的端口的信息,最终会把它链接到bhash链表中.

struct inet_bind_bucket {
    struct net      *ib_net;
///端口号
    unsigned short      port;
///表示这个端口是否能够被重复使用.
    signed short        fastreuse;
///指向下一个端口的inet_bind_bucket 结构.
    struct hlist_node   node;
///也就是使用这个端口的socket链表
    struct hlist_head   owners;
};

最后一个结构是tcp_hashinfo他在 tcp_init中被初始化,而tcp_init是在inet_init中被初始化的.然后tcp_hashinfo会被赋值给tcp_proto和sock的sk_prot域.

struct inet_hashinfo __cacheline_aligned tcp_hashinfo = {
    .lhash_lock  = __RW_LOCK_UNLOCKED(tcp_hashinfo.lhash_lock),
    .lhash_users = ATOMIC_INIT(0),
    .lhash_wait  = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(tcp_hashinfo.lhash_wait),
};

然后来看bind的实现,bind对应的系统调用是sys_bind:

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

///通过fd查找相应的socket,如果不存在则返回错误.
    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
///用户空间和内核的地址拷贝.
        err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, (struct sockaddr *)&address);
        if (err >= 0) {
            err = security_socket_bind(sock,
                           (struct sockaddr *)&address,
                           addrlen);
            if (!err)
///调用inet_bind方法.
                err = sock->ops->bind(sock,
                              (struct sockaddr *)
                              &address, addrlen);
        }
///将socket对应的file结构的引用计数.
        fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

sockfd_lookup_light主要是查找fd对应的socket

static struct socket *sockfd_lookup_light(int fd, int *err, int *fput_needed)
{
    struct file *file;
    struct socket *sock;

    *err = -EBADF;
///通过fd得到对应的file结构
    file = fget_light(fd, fput_needed);
    if (file) {
///我们在sock_map_fd通过sock_attach_fd中已经把file的private域赋值为socket,因此这里就直接返回socket.
        sock = sock_from_file(file, err);
        if (sock)
            return sock;
        fput_light(file, *fput_needed);
    }
    return NULL;
}

然后来看inet_bind的实现.

int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
///取得绑定地址.以及相关的socket和inet_sock.
    struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *)uaddr;
    struct sock *sk = sock->sk;
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    unsigned short snum;
    int chk_addr_ret;
    int err;

    /* If the socket has its own bind function then use it. (RAW) */
    if (sk->sk_prot->bind) {
        err = sk->sk_prot->bind(sk, uaddr, addr_len);
        goto out;
    }
    err = -EINVAL;
    if (addr_len < sizeof(struct sockaddr_in))
        goto out;
///得到地址类型,比如广播地址之类的.
    chk_addr_ret = inet_addr_type(sock_net(sk), addr->sin_addr.s_addr);

    err = -EADDRNOTAVAIL;

///主要是判断绑定的地址不是本地时的一些条件判断.
    if (!sysctl_ip_nonlocal_bind &&
        !inet->freebind &&
        addr->sin_addr.s_addr != htonl(INADDR_ANY) &&
        chk_addr_ret != RTN_LOCAL &&
        chk_addr_ret != RTN_MULTICAST &&
        chk_addr_ret != RTN_BROADCAST)
        goto out;
///得到端口号.
    snum = ntohs(addr->sin_port);
    err = -EACCES;
///主要是端口号小于prot_sock(1024)必须得有root权限.如果没有则退出.capable就是用来判断权限的.
    if (snum && snum < PROT_SOCK && !capable(CAP_NET_BIND_SERVICE))
        goto out;

    /*      We keep a pair of addresses. rcv_saddr is the one
     *      used by hash lookups, and saddr is used for transmit.
     *
     *      In the BSD API these are the same except where it
     *      would be illegal to use them (multicast/broadcast) in
     *      which case the sending device address is used.
     */
    lock_sock(sk);

    /* Check these errors (active socket, double bind). */
    err = -EINVAL;
///检测状态是否为close.如果是close状态,说明这个socket前面已经bind过了.而num只有当raw socket时才会不为0
    if (sk->sk_state != TCP_CLOSE || inet->num)
        goto out_release_sock;

///设置相应的地址.rcv_saddr是通过hash查找的源地址,而saddr是ip层使用的源地址(ip头的源地址).
    inet->rcv_saddr = inet->saddr = addr->sin_addr.s_addr;
///如果是多播或者广播,设置saddr.
    if (chk_addr_ret == RTN_MULTICAST || chk_addr_ret == RTN_BROADCAST)
        inet->saddr = 0;  /* Use device */

///这里get_port用来发现我们绑定的端口,是否被允许使用.而get_port在tcp中,被实例化为inet_csk_get_port,接近着我们会分析它的实现.
    if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
        inet->saddr = inet->rcv_saddr = 0;
        err = -EADDRINUSE;
        goto out_release_sock;
    }
///这两个锁不太理解.不知道谁能解释下.
    if (inet->rcv_saddr)
        sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDADDR_LOCK;
    if (snum)
        sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDPORT_LOCK;
///设置源端口
    inet->sport = htons(inet->num);
///目的地址和目的端口,暂时设为0
    inet->daddr = 0;
    inet->dport = 0;
    sk_dst_reset(sk);
    err = 0;
out_release_sock:
    release_sock(sk);
out:
    return err;
}

这里我先来介绍下inet_csk_get_port的流程.

当绑定的port为0时,这时也就是说需要kernel来分配一个新的port.
1 首先得到系统的port范围.

2  随机分配一个port.

3 从bhash中得到当前随机分配的端口的链表(也就是inet_bind_bucket链表).

4 遍历这个链表(链表为空的话,也说明这个port没有被使用),如果这个端口已经被使用,则将端口号加一,继续循环,直到找到当前没有被使用的port,也就是没有在bhash中存在的port.

5 新建一个inet_bind_bucket,并插入到bhash中.

当指定port时.

1 从bhash中根据hash值(port计算的)取得当前指定端口对应的inet_bind_bucket结构.

2 如果bhash中存在,则说明,这个端口已经在使用,因此需要判断这个端口是否允许被reuse.

3 如果不存在,则步骤和上面的第5部一样.

int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
{
    struct inet_hashinfo *hashinfo = sk->sk_prot->h.hashinfo;
    struct inet_bind_hashbucket *head;
    struct hlist_node *node;
    struct inet_bind_bucket *tb;
    int ret;
    struct net *net = sock_net(sk);

    local_bh_disable();
    if (!snum) {
///端口为0,也就是需要内核来分配端口.
        int remaining, rover, low, high;
///得到端口范围.
        inet_get_local_port_range(&low, &high);
        remaining = (high - low) + 1;
        rover = net_random() % remaining + low;

///循环来得到一个当前没有使用的端口.
        do {
///通过端口为key,来得到相应的inet_bind_bucket
            head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, rover,
                    hashinfo->bhash_size)];
            spin_lock(&head->lock);
            inet_bind_bucket_for_each(tb, node, &head->chain)
                if (tb->ib_net == net && tb->port == rover)
///说明这个端口已被使用,因此需要将端口加1,重新查找.
                    goto next;
            break;
        next:
            spin_unlock(&head->lock);
///如果端口大于最大值,则将它赋值为最小值(这是因为我们这个端口是随机值,因此有可能很多端口就被跳过了),重新查找.
            if (++rover > high)
                rover = low;
        } while (--remaining > 0);

        /* Exhausted local port range during search?  It is not
         * possible for us to be holding one of the bind hash
         * locks if this test triggers, because if 'remaining'
         * drops to zero, we broke out of the do/while loop at
         * the top level, not from the 'break;' statement.
         */
        ret = 1;
        if (remaining <= 0)
            goto fail;
///将要分配的端口号.
        snum = rover;
    } else {
///指定端口号的情况.和上面的方法差不多,只不过只需要一次.
        head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, snum,
                hashinfo->bhash_size)];
        spin_lock(&head->lock);
        inet_bind_bucket_for_each(tb, node, &head->chain)
            if (tb->ib_net == net && tb->port == snum)
                goto tb_found;
    }
    tb = NULL;
    goto tb_not_found;
tb_found:
///用来处理端口号已经被使用的情况.他被使用的socket不为空的情况.
    if (!hlist_empty(&tb->owners)) {
///fastreuse大于0说明其他的socket允许另外的socket也使用这个端口,而reuse表示当前的端口也允许和其他的端口分享这个port.并且socket的状态必须是TCP_LISTEN,才能做这个判断.
        if (tb->fastreuse > 0 &&
            sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN) {
            goto success;
        } else {
            ret = 1;
///如果出错,调用inet_csk_bind_conflict.主要是有可能一些使用这个端口的socket,有可能使用不同的ip地址.此时,我们是可以使用这个端口的.
            if (inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb))
                goto fail_unlock;
        }
    }
tb_not_found:
    ret = 1;
///重新分配一个inet_bind_bucket,并链接到bhash.
    if (!tb && (tb = inet_bind_bucket_create(hashinfo->bind_bucket_cachep,
                    net, head, snum)) == NULL)
        goto fail_unlock;
    if (hlist_empty(&tb->owners)) {
///设置当前端口的fastreuse,这个域也只能是处于listen的socket才能设置.
        if (sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN)
            tb->fastreuse = 1;
        else
            tb->fastreuse = 0;
    } else if (tb->fastreuse &&
           (!sk->sk_reuse || sk->sk_state == TCP_LISTEN))
        tb->fastreuse = 0;
success:
///将这个socket加到这个端口的ower中.
    if (!inet_csk(sk)->icsk_bind_hash)
        inet_bind_hash(sk, tb, snum);
    WARN_ON(inet_csk(sk)->icsk_bind_hash != tb);
    ret = 0;

fail_unlock:
    spin_unlock(&head->lock);
fail:
    local_bh_enable();
    return ret;
}

在看listen的代码之前.我们也先来看相关的数据结构:

其中inet_connection_sock我们先前已经介绍过了,它包含了一个icsk_accept_queue的域,这个域是一个request_sock_queue类型,.我们就先来看这个结构:

request_sock_queue也就表示一个request_sock队列.这里我们知道,tcp中分为半连接队列(处于 SYN_RECVD状态)和已完成连接队列(处于established状态).这两个一个是刚接到syn,等待三次握手完成,一个是已经完成三次握手, 等待accept来读取.

这里每个syn分节到来都会新建一个request_sock结构,并将它加入到listen_sock的request_sock hash表中.然后3次握手完毕后,将它放入到request_sock_queue的rskq_accept_head和 rskq_accept_tail队列中.这样当accept的时候就直接从这个队列中读取了.

struct request_sock_queue {
///一个指向头,一个指向结尾.
    struct request_sock *rskq_accept_head;
    struct request_sock *rskq_accept_tail;
    rwlock_t        syn_wait_lock;
    u8          rskq_defer_accept;
    /* 3 bytes hole, try to pack */
///相应的listen_socket结构.
    struct listen_sock  *listen_opt;
};

listen_sock 表示一个处于listening状态的socket.

struct listen_sock {
///log_2 of maximal queued SYNs/REQUESTs ,这里不太理解这个域的作用.
    u8          max_qlen_log;
    /* 3 bytes hole, try to use */
///当前的半连接队列的长度.
    int         qlen;
///也是指当前的半开连接队列长度,不过这个值会当重传syn/ack的时候(这里要注意是这个syn/ack第一次重传的时候才会减一)自动减一.
    int         qlen_young;
    int         clock_hand;
    u32         hash_rnd;
///这个值表示了当前的syn_backlog(半开连接队列)的最大值
    u32         nr_table_entries;
///半连接队列.
    struct request_sock *syn_table[0];
};

最后来看下request_sock,它保存了tcp双方传输所必需的一些域,比如窗口大小,对端速率,对端数据包序列号等等这些值.

struct request_sock {
    struct request_sock     *dl_next; /* Must be first member! */
///mss值.
    u16             mss;
    u8              retrans;
    u8              cookie_ts; /* syncookie: encode tcpopts in timestamp */
    /* The following two fields can be easily recomputed I think -AK */
    u32             window_clamp; /* window clamp at creation time */
///窗口大小.
    u32             rcv_wnd;      /* rcv_wnd offered first time */
    u32             ts_recent;
    unsigned long           expires;
///这个域包含了发送ack的操作集合.
    const struct request_sock_ops   *rsk_ops;
    struct sock         *sk;
    u32             secid;
    u32             peer_secid;
};

listen的对应的系统调用是sys_listen,它首先通过sockfd_lookup_light查找到相应的socket,然后调用inet_listen,大体流程和bind差不多,只不过中间调用的是inet_listen罢了.

这里还有一个概念那就是backlog,在linux中,backlog的大小指的是已完成连接队列的大小.而不是和半连接队列之和.而半开连接的大小一般是和backlog差不多大小.

而半开连接队列的最大长度是根据backlog计算的,我们后面会介绍这个.

因此我们直接来看inet_listen的实现,这个函数主要是进行一些合法性判断,然后调用inet_csk_listen_start来对相关域进行处理:

int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)
{
    struct sock *sk = sock->sk;
    unsigned char old_state;
    int err;

    lock_sock(sk);

    err = -EINVAL;
///判断状态(非连接状态)以及socket类型.
    if (sock->state != SS_UNCONNECTED || sock->type != SOCK_STREAM)
        goto out;

    old_state = sk->sk_state;
///状态必须为close或者listen.
    if (!((1 << old_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN)))
        goto out;

    /* Really, if the socket is already in listen state
     * we can only allow the backlog to be adjusted.
     */
///非listen状态,需要我们处理.
    if (old_state != TCP_LISTEN) {
        err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
        if (err)
            goto out;
    }
///将backlog赋值给sk_max_ack_backlog,也就是完全连接队列最大值.
    sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
    err = 0;

out:
    release_sock(sk);
    return err;
}

然后来看inet_csk_listen_start的实现.

它的主要工作是新分配一个listen socket,将它加入到inet_connection_sock的icsk_accept_queue域的listen_opt中.然后对当前使用端口进行判断.最终返回:

int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, const int nr_table_entries)
{
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
///新分配一个listen socket.
    int rc = reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue, nr_table_entries);

    if (rc != 0)
        return rc;
///先将这两个ack_backlog赋值为0.
    sk->sk_max_ack_backlog = 0;
    sk->sk_ack_backlog = 0;
    inet_csk_delack_init(sk);

    /* There is race window here: we announce ourselves listening,
     * but this transition is still not validated by get_port().
     * It is OK, because this socket enters to hash table only
     * after validation is complete.
     */
///设置状态.
    sk->sk_state = TCP_LISTEN;
///get_port上面已经分析过了.这里之所以还要再次判断一下端口,是为了防止多线程,也就是另一个线程在我们调用listen之前改变了这个端口的信息.
    if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->num)) {
//端口可用的情况,将端口值付给sport,并加入到inet_hashinfo(上面已经分析过)的listening_hash hash链表中.
        inet->sport = htons(inet->num);

        sk_dst_reset(sk);
///这里调用__inet_hash实现的.
        sk->sk_prot->hash(sk);

        return 0;
    }
///不可用,则返回错误.
    sk->sk_state = TCP_CLOSE;
    __reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);
    return -EADDRINUSE;
}

最后我们来看下reqsk_queue_alloc的实现:

///半开连接的最大长度.
int sysctl_max_syn_backlog = 256;

int reqsk_queue_alloc(struct request_sock_queue *queue,
              unsigned int nr_table_entries)
{
    size_t lopt_size = sizeof(struct listen_sock);
    struct listen_sock *lopt;
///在当前的nr_table_entries(也就是listen传进来的backlog)和sysctl_max_syn_backlog取一个较小的值.
    nr_table_entries = min_t(u32, nr_table_entries, sysctl_max_syn_backlog);

///也就是说nr_table_entries不能小于8.
    nr_table_entries = max_t(u32, nr_table_entries, 8);

///其实也就是使nr_table_entries更接近于2的次幂
    nr_table_entries = roundup_pow_of_two(nr_table_entries + 1);
///最终所要分配的listen_sock 的大小.
    lopt_size += nr_table_entries * sizeof(struct request_sock *);
    if (lopt_size > PAGE_SIZE)
        lopt = __vmalloc(lopt_size,
            GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO,
            PAGE_KERNEL);
    else
        lopt = kzalloc(lopt_size, GFP_KERNEL);
    if (lopt == NULL)
        return -ENOMEM;
///计算max_qlen_log的值,他最小要为3,最大为对nr_table_entries求以2为低的log..
    for (lopt->max_qlen_log = 3;
         (1 << lopt->max_qlen_log) < nr_table_entries;
         lopt->max_qlen_log++);

    get_random_bytes(&lopt->hash_rnd, sizeof(lopt->hash_rnd));
    rwlock_init(&queue->syn_wait_lock);
    queue->rskq_accept_head = NULL;
///给nr_table_entries赋值.
    lopt->nr_table_entries = nr_table_entries;

    write_lock_bh(&queue->syn_wait_lock);
///将listen_socket赋值给queue->listen_opt
    queue->listen_opt = lopt;
    write_unlock_bh(&queue->syn_wait_lock);

    return 0;
}

首先来看下内核如何处理3次握手的半连接队列和accept队列(其实也就是server端的三次握手的状态变换).而半连接队列和accept队列在内核如何表示,我们上次已经介绍过了,这里就不介绍了.


首先我们知道当3层的数据包到达之后会调用4层的协议handle,tcp的话就是tcp_v4_rcv.如何调用可以看我前面的blog:

而在tcp_v4_rcv中,则最终会调用tcp_v4_do_rcv来处理输入数据包.在看tcp_v4_do_rcv之前,我们先来看在tcp_v4_rcv中,内核如何通过4元组(目的,源端口和地址)来查找对应得sock对象.

在分析之前,我们要知道,当一对tcp连接3次握手完毕后,内核将会重新new一个socket,这个socket中的大部分域都是与主socket相同的.而把这个新的socket的状态设置为established,而主socket的状态依旧为listen状态.

而通过前面的blog分析,我们也知道在inet_hashinfo中将处于listening状态的socket和处于 TCP_ESTABLISHED与TCP_CLOSE之间的状态的socket是分开的,一个是ehash,一个是listening_hash.因此通 过对应的4元组查找socket也是分开在这两个hash链表中操作的.

内核是通过调用__inet_lookup来查找socket的:

///在tcp_v4_rcv中的代码片段.
sk = __inet_lookup(net, &tcp_hashinfo, iph->saddr,
            th->source, iph->daddr, th->dest, inet_iif(skb));

static inline struct sock *__inet_lookup(struct net *net,
                     struct inet_hashinfo *hashinfo,
                     const __be32 saddr, const __be16 sport,
                     const __be32 daddr, const __be16 dport,
                     const int dif)
{
    u16 hnum = ntohs(dport);
    struct sock *sk = __inet_lookup_established(net, hashinfo,
                saddr, sport, daddr, hnum, dif);

    return sk ? : __inet_lookup_listener(net, hashinfo, daddr, hnum, dif);
}

tcp_hashinfo我们前面也已经分析过了,包含了所有tcp所用到的hash信息,比如socket,port等等.这里的查找其实就是在tcp_hashinfo中(其实是它的域ehash或者listening_hash)查找相应的socket.

我们可以看到内核在这里进行了两次查找,首先是在established状态的socket中查找,处于established状态,说明3次握手已经完成,因此这个socket可以通过简单的4元组hash在hashinfo的ehash中查找.

而当在__inet_lookup_established中没有找到时,则将会__inet_lookup_listener中查找.也就是在处于listening状态的socket中查找(这里主要是通过daddr也就是目的地址来进行匹配).


当找到对应的socket以后就会进入数据包的处理,也就是进入tcp_v4_do_rcv函数.

int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    struct sock *rsk;
..................................................

///如果为TCP_ESTABLISHED状态,则进入相关处理
    if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED) { /* Fast path */
        TCP_CHECK_TIMER(sk);
        if (tcp_rcv_established(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len)) {
            rsk = sk;
            goto reset;
        }
        TCP_CHECK_TIMER(sk);
        return 0;
    }

///进行包头的合法性校验.
    if (skb->len < tcp_hdrlen(skb) || tcp_checksum_complete(skb))
        goto csum_err;
///进入TCP_LISTEN状态.
    if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
        struct sock *nsk = tcp_v4_hnd_req(sk, skb);
        if (!nsk)
            goto discard;

        if (nsk != sk) {
            if (tcp_child_process(sk, nsk, skb)) {
                rsk = nsk;
                goto reset;
            }
            return 0;
        }
    }

    TCP_CHECK_TIMER(sk);
///进入其他状态的处理.除了ESTABLISHED和TIME_WAIT状态.
    if (tcp_rcv_state_process(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len)) {
        rsk = sk;
        goto reset;
    }
    TCP_CHECK_TIMER(sk);
    return 0;
......................................................................
}

可以看到当进来之后,会通过判断socket的不同状态来进入不同的处理.这里其实就分了3种状态,TCP_ESTABLISHED,TCP_LISTEN和剩余的的状态.

我们这里先不分析TCP_ESTABLISHED.

我们先来看当第一个syn分解到达后,内核会做怎么样处理.首先它会进入tcp_v4_hnd_req函数,这个函数我们后面会处理,这里只需要 知道当为第一个syn分节时,它会返回当前socket.因此此时nsk == sk,所以我们进入tcp_rcv_state_process函数,这个函数处理除了ESTABLISHED和TIME_WAIT状态之外的所有状态.

我们这里只看他的listen状态处理,后面的话也是遇到一个状态,我们看一个状态的处理:

int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
              struct tcphdr *th, unsigned len)
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
///取得对应的inet_connection_sock .
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    int queued = 0;
    tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;

    switch (sk->sk_state) {
    case TCP_LISTEN:
///当为ack分节,则返回1,而对应内核会发送一个rst给对端.
        if (th->ack)
            return 1;
///如果是rst,则忽略这个分组.
        if (th->rst)
            goto discard;
///是syn分组,因此调用对应的虚函数conn_request,而这个函数在tcpv4中被初始化为tcp_v4_conn_request.
        if (th->syn) {
            if (icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) < 0)
                return 1;
            kfree_skb(skb);
            return 0;
        }
        goto discard;
............................................................
}

可以看到最终会调用tcp_v4_conn_request来处理syn分组,我们接下来就来看这个函数的实现.

先来看几个相关的函数,第一个是reqsk_queue_is_full,他来判断半连接队列是否已满.其实实现很简单,就是判断qlen和max_qlen_log的大小:

static inline int reqsk_queue_is_full(const struct request_sock_queue *queue)
{
    return queue->listen_opt->qlen >> queue->listen_opt->max_qlen_log;
}

第二个是sk_acceptq_is_full,它用来判断accept队列是否已满.这个也是很简单,比较当前的队列大小sk_ack_backlog与最大的队列大小sk_max_ack_backlog.

static inline int sk_acceptq_is_full(struct sock *sk)
{
    return sk->sk_ack_backlog > sk->sk_max_ack_backlog;
}

最后一个是tcp_openreq_init,它用来新建一个inet_request_sock,我们知道每次一个syn到达后,我们都会新建一个inet_request_sock,并加入到半连接队列.

static inline void tcp_openreq_init(struct request_sock *req,
                    struct tcp_options_received *rx_opt,
                    struct sk_buff *skb)
{
    struct inet_request_sock *ireq = inet_rsk(req);

    req->rcv_wnd = 0;        /* So that tcp_send_synack() knows! */
    req->cookie_ts = 0;
    tcp_rsk(req)->rcv_isn = TCP_SKB_CB(skb)->seq;
    req->mss = rx_opt->mss_clamp;
    req->ts_recent = rx_opt->saw_tstamp ? rx_opt->rcv_tsval : 0;
    ireq->tstamp_ok = rx_opt->tstamp_ok;
    ireq->sack_ok = rx_opt->sack_ok;
    ireq->snd_wscale = rx_opt->snd_wscale;
    ireq->wscale_ok = rx_opt->wscale_ok;
    ireq->acked = 0;
    ireq->ecn_ok = 0;
    ireq->rmt_port = tcp_hdr(skb)->source;
}

接下来来看tcp_v4_conn_request的实现,

int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    struct inet_request_sock *ireq;
    struct tcp_options_received tmp_opt;
    struct request_sock *req;
    __be32 saddr = ip_hdr(skb)->saddr;
    __be32 daddr = ip_hdr(skb)->daddr;
///这个名字实在是无语,when具体表示什么不太理解,只是知道它是用来计算rtt的.
    __u32 isn = TCP_SKB_CB(skb)->when;
    struct dst_entry *dst = NULL;
#ifdef CONFIG_SYN_COOKIES
    int want_cookie = 0;
#else
#define want_cookie 0 /* Argh, why doesn't gcc optimize this :( */
#endif

///如果是广播或者多播,则丢掉这个包.
    if (skb->rtable->rt_flags & (RTCF_BROADCAST | RTCF_MULTICAST))
        goto drop;

///判断半连接队列是否已经满掉.如果满掉并且处于非timewait状态,则丢掉这个包(如果设置了SYN Cookie则会继续进行,因为SYN Cookie不需要新分配半连接队列,详细的SYN Cookie请google)
    if (inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk) && !isn) {
#ifdef CONFIG_SYN_COOKIES
        if (sysctl_tcp_syncookies) {
            want_cookie = 1;
        } else
#endif
        goto drop;
    }
///如果accept队列已满,并且qlen_young大于一就丢掉这个包,这里qlen_young大于一表示在syn队列中已经有足够多的(这里不包括重传的syn)请求了.
    if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1)
        goto drop;
    req = inet_reqsk_alloc(&tcp_request_sock_ops);
    if (!req)
        goto drop;
...................................................

///对tmp_opt进行初始化,而tcp_options_received中包含了tcp的一些选项信息(比如mss,窗口扩大因子等等)
    tcp_clear_options(&tmp_opt);
    tmp_opt.mss_clamp = 536;
    tmp_opt.user_mss  = tcp_sk(sk)->rx_opt.user_mss;

///对对端的tcp_options_received进行解析,并对本端得tcp_options_received进行初始化.
    tcp_parse_options(skb, &tmp_opt, 0);

.......................................................
///这里对新的req进行初始化.

    tcp_openreq_init(req, &tmp_opt, skb);
...............................................

///这里将tcp_options_received保存到req中.
    ireq->opt = tcp_v4_save_options(sk, skb);
    if (!want_cookie)
        TCP_ECN_create_request(req, tcp_hdr(skb));

    if (want_cookie) {
#ifdef CONFIG_SYN_COOKIES
        syn_flood_warning(skb);
        req->cookie_ts = tmp_opt.tstamp_ok;
#endif
        isn = cookie_v4_init_sequence(sk, skb, &req->mss);
    }else if (!isn) {
.............................................
///计算当前一个合适的isn,并返回.
        isn = tcp_v4_init_sequence(skb);
    }

///赋值发送给对端的isn
    tcp_rsk(req)->snt_isn = isn;

///发送syn和ack(如果设置了want_cookie则不会将这个req链接到半连接队列中.
    if (__tcp_v4_send_synack(sk, req, dst) || want_cookie)
        goto drop_and_free;

///将这个req链接到半连接队列中.
    inet_csk_reqsk_queue_hash_add(sk, req, TCP_TIMEOUT_INIT);
    return 0;

drop_and_release:
    dst_release(dst);
drop_and_free:
    reqsk_free(req);
drop:
    return 0;
}

而tcp_v4_hnd_req的主要工作是在半连接队列中看是否存在当前的socket,如果存在则说明这个有可能是最终的ack包,因此将会 做一系列的合法性校验(比如重传,rst,syn等等),最终确定这个是ack后会调用对应的新建socket的虚函数syn_recv_sock.

static struct sock *tcp_v4_hnd_req(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
    const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
    struct sock *nsk;
    struct request_sock **prev;
///通过socket,查找对应request_sock
    struct request_sock *req = inet_csk_search_req(sk, &prev, th->source,
                               iph->saddr, iph->daddr);
    if (req)
///如果存在则进入req的相关处理.
        return tcp_check_req(sk, skb, req, prev);

///不存在,则通过inet_lookup_established查找.这是因为有可能当我们进入这个函数之前,socket的状态被改变了,也就是这个socket的状态已经不是listen了.

    nsk = inet_lookup_established(sock_net(sk), &tcp_hashinfo, iph->saddr,
            th->source, iph->daddr, th->dest, inet_iif(skb));

    if (nsk) {
        if (nsk->sk_state != TCP_TIME_WAIT) {
///非tw状态返回新的socket.
            bh_lock_sock(nsk);
            return nsk;
        }
///如果是timewait状态则返回空.
        inet_twsk_put(inet_twsk(nsk));
        return NULL;
    }

#ifdef CONFIG_SYN_COOKIES
    if (!th->rst && !th->syn && th->ack)
        sk = cookie_v4_check(sk, skb, &(IPCB(skb)->opt));
#endif
    return sk;
}

tcp_check_req最主要工作就是调用虚函数,新建一个socket,并返回.

先来看几个相关的函数,第一个是inet_csk_reqsk_queue_unlink,它主要用来从半连接队列unlink掉一个元素.:

static inline void inet_csk_reqsk_queue_unlink(struct sock *sk,
                           struct request_sock *req,
                           struct request_sock **prev)
{
    reqsk_queue_unlink(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue, req, prev);
}

static inline void reqsk_queue_unlink(struct request_sock_queue *queue,
                      struct request_sock *req,
                      struct request_sock **prev_req)
{
    write_lock(&queue->syn_wait_lock);
///处理链表.
    *prev_req = req->dl_next;
    write_unlock(&queue->syn_wait_lock);
}

第二个是inet_csk_reqsk_queue_removed,它主要用来修改对应的qlen和qlen_young的值.

static inline void inet_csk_reqsk_queue_removed(struct sock *sk,
                        struct request_sock *req)
{
    if (reqsk_queue_removed(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue, req) == 0)
        inet_csk_delete_keepalive_timer(sk);
}

static inline int reqsk_queue_removed(struct request_sock_queue *queue,
                      struct request_sock *req)
{
    struct listen_sock *lopt = queue->listen_opt;
///如果重传数为0则说明没有重传过,因此qlen_young跟着也减一.
    if (req->retrans == 0)
        --lopt->qlen_young;

    return --lopt->qlen;
}

最后是inet_csk_reqsk_queue_add,它用来把新的req加入到accept队列中.

static inline void inet_csk_reqsk_queue_add(struct sock *sk,
                        struct request_sock *req,
                        struct sock *child)
{
    reqsk_queue_add(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue, req, sk, child);
}


static inline void reqsk_queue_add(struct request_sock_queue *queue,
                   struct request_sock *req,
                   struct sock *parent,
                   struct sock *child)
{
    req->sk = child;
    sk_acceptq_added(parent);
///可以看到刚好就是request_sock_queue的rskq_accept_head与rskq_accept_tail保存accept队列.
    if (queue->rskq_accept_head == NULL)
        queue->rskq_accept_head = req;
    else
        queue->rskq_accept_tail->dl_next = req;

    queue->rskq_accept_tail = req;
    req->dl_next = NULL;
}

然后再来看tcp_check_req的实现.

struct sock *tcp_check_req(struct sock *sk,struct sk_buff *skb,
               struct request_sock *req,
               struct request_sock **prev)
{
    const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
    __be32 flg = tcp_flag_word(th) & (TCP_FLAG_RST|TCP_FLAG_SYN|TCP_FLAG_ACK);
    int paws_reject = 0;
    struct tcp_options_received tmp_opt;
    struct sock *child;

    tmp_opt.saw_tstamp = 0;
......................................
///如果只有rst和syn域则发送一个rst给对端.
if (flg & (TCP_FLAG_RST|TCP_FLAG_SYN)) {
        TCP_INC_STATS_BH(sock_net(sk), TCP_MIB_ATTEMPTFAILS);
        goto embryonic_reset;
    }

///如果是重传的syn,则重新发送syn和ack分组.
    if (TCP_SKB_CB(skb)->seq == tcp_rsk(req)->rcv_isn &&
        flg == TCP_FLAG_SYN &&
        !paws_reject) {
        req->rsk_ops->rtx_syn_ack(sk, req);
        return NULL;
    }

    ..........................................

///确定有设置ack分节.
    if (!(flg & TCP_FLAG_ACK))
        return NULL;

///这里主要处理TCP_DEFER_ACCEPT被设置的情况,如果它被设置,则丢掉这个包.(这是因为TCP_DEFER_ACCEPT会等待数据真正发过来才处理的,而不是最后一个ack发过来就处理)
    if (inet_csk(sk)->icsk_accept_queue.rskq_defer_accept &&
        TCP_SKB_CB(skb)->end_seq == tcp_rsk(req)->rcv_isn + 1) {
        inet_rsk(req)->acked = 1;
        return NULL;
    }

///可以创建一个新的socket了.返回一个包含新创建的socket的request结构.
    child = inet_csk(sk)->icsk_af_ops->syn_recv_sock(sk, skb, req, NULL);
    if (child == NULL)
        goto listen_overflow;
..................................
#endif
///创建成功,则在request_sock_queue的listen_opt中unlink掉这个req.也就是从半连接队列中删除这个req.
    inet_csk_reqsk_queue_unlink(sk, req, prev);
///修改对应的 qlen和qlen_young的值.
    inet_csk_reqsk_queue_removed(sk, req);
///最后加入到accept队列中.这里注意最终是将新的socket赋值给对应的req.
    inet_csk_reqsk_queue_add(sk, req, child);
    return child;

listen_overflow:
    if (!sysctl_tcp_abort_on_overflow) {
        inet_rsk(req)->acked = 1;
        return NULL;
    }

embryonic_reset:
    NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_EMBRYONICRSTS);
    if (!(flg & TCP_FLAG_RST))
        req->rsk_ops->send_reset(sk, skb);

    inet_csk_reqsk_queue_drop(sk, req, prev);
    return NULL;
}

最后我们来看内核如何创建一个新的socket,tcp 协议使用tcp_v4_syn_recv_sock来实现,它做的其实很简单就是新建一个socket,并且设置状态为TCP_SYN_RECV(在 inet_csk_clone中),父socket继续处于listen状态,然后对新的socket进行一些赋值,然后对一些定时器进行初始化.这里定 时器我们全部都略过了,以后会专门来分析tcp中的定时器.


最后从tcp_v4_hnd_req中返回,判断是否与父socket相等,然后调用tcp_child_process函数:

这个函数主要是完成最终的三次握手,将子socket设置为TCP_ESTABLISHED然后根据条件唤醒被accept阻塞的主socket:

int tcp_child_process(struct sock *parent, struct sock *child,
              struct sk_buff *skb)
{
    int ret = 0;
    int state = child->sk_state;

    if (!sock_owned_by_user(child)) {
///完成最终的三次握手.
        ret = tcp_rcv_state_process(child, skb, tcp_hdr(skb),
                        skb->len);
        /* Wakeup parent, send SIGIO */
        if (state == TCP_SYN_RECV && child->sk_state != state)
///唤醒阻塞的主socket.
            parent->sk_data_ready(parent, 0);
    } else {
        /* Alas, it is possible again, because we do lookup
         * in main socket hash table and lock on listening
         * socket does not protect us more.
         */
        sk_add_backlog(child, skb);
    }

    bh_unlock_sock(child);
    sock_put(child);
    return ret;
}

最后来分析下在tcp_rcv_state_process中的处理当前的TCP_SYN_RECV状态,它主要是为将要到来的数据传输做一些准备,设置一些相关域.:

case TCP_SYN_RECV:
            if (acceptable) {
                tp->copied_seq = tp->rcv_nxt;
                smp_mb();
///设置状态为TCP_ESTABLISHED.
                tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
                sk->sk_state_change(sk);

///这里的wake应该是针对epoll这类的
                if (sk->sk_socket)
                    sk_wake_async(sk,
                              SOCK_WAKE_IO, POLL_OUT);

///设置期望接收的isn号,也就是第一个字节的序列和窗口大小.
                tp->snd_una = TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq;
                tp->snd_wnd = ntohs(th->window) <<
                          tp->rx_opt.snd_wscale;
                tcp_init_wl(tp, TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq,
                        TCP_SKB_CB(skb)->seq);

.........................................................................
            break;

先来看下accept的实现.

其实accept的作用很简单,就是从accept队列中取出三次握手完成的socket,并将它关联到vfs上(其实操作和调用 sys_socket时新建一个socket类似).然后返回.这里还有个要注意的,如果这个传递给accept的socket是非阻塞的话,就算 accept队列为空,也会直接返回,而是阻塞的话就会休眠掉,等待accept队列有数据后唤醒他.

接下来我们就来看它的实现,accept对应的系统调用是 sys_accept,而他则会调用do_accept,因此我们直接来看do_accept:

long do_accept(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;
.............................................
///这个函数前面已经分析过了,也就是通过fd,得到相应的socket.
    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;

    err = -ENFILE;
///新建一个socket,也就是这个函数将要返回的socket.这里注意我们得到的是一个socket,而不是sock.下面会解释为什么这么做.
    if (!(newsock = sock_alloc()))
        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);
///找到一个新的可用的文件句柄,以及file结构.是为了与刚才新建的socket关联起来.
    newfd = sock_alloc_fd(&newfile, flags & O_CLOEXEC);
    if (unlikely(newfd < 0)) {
        err = newfd;
        sock_release(newsock);
        goto out_put;
    }
///将新的socket和file关联起来.(这里所做的和我们第一篇所分析的信件socket的步骤是一样的,不理解的,可以去看我前面的blog
    err = sock_attach_fd(newsock, newfile, flags & O_NONBLOCK);
    if (err < 0)
        goto out_fd_simple;

    err = security_socket_accept(sock, newsock);
    if (err)
        goto out_fd;
///调用inet_accept
    err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags);
    if (err < 0)
        goto out_fd;
///这里也就是取得accept到的句柄的源地址.也就是填充传递进来的upeer_sockaddr.
    if (upeer_sockaddr) {
        if (newsock->ops->getname(newsock, (struct sockaddr *)&address,
                      &len, 2) < 0) {
            err = -ECONNABORTED;
            goto out_fd;
        }
        err = move_addr_to_user((struct sockaddr *)&address,
                    len, upeer_sockaddr, upeer_addrlen);
        if (err < 0)
            goto out_fd;
    }

    /* File flags are not inherited via accept() unlike another OSes. */
///最终将新的file结构和fd关联起来,其实也就是最终将这个fd关联到当前进程的files中.
    fd_install(newfd, newfile);
    err = newfd;

    security_socket_post_accept(sock, newsock);

out_put:
///文件描述符的引用计数加一.
    fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
///返回句柄.
    return err;
.......................................
}

可以看到流程很简单,最终的实现都集中在inet_accept中了.而inet_accept主要做的就是

1 调用inet_csk_accept来进行对accept队列的操作.它会返回取得的sock.

2 将从inet_csk_accept返回的sock链接到传递进来的(也就是在do_accept中new的socket)中.这里就知道我们上面为什么只需要new一个socket而不是sock了.因为sock我们是直接从accept队列中取得的.


3 设置新的socket的状态为SS_CONNECTED.

int inet_accept(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags)
{
    struct sock *sk1 = sock->sk;
    int err = -EINVAL;
///调用inet_csk_accept.
    struct sock *sk2 = sk1->sk_prot->accept(sk1, flags, &err);

    if (!sk2)
        goto do_err;

    lock_sock(sk2);
///测试tcp连接的状态.
    WARN_ON(!((1 << sk2->sk_state) &
          (TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT | TCPF_CLOSE)));
///将返回的sock链接到socket.
    sock_graft(sk2, newsock);
///设置状态.
    newsock->state = SS_CONNECTED;
    err = 0;
    release_sock(sk2);
do_err:
    return err;
}

inet_csk_accept就是从accept队列中取出sock然后返回.

在看他的源码之前先来看几个相关函数的实现:

首先是reqsk_queue_empty,他用来判断accept队列是否为空:

static inline int reqsk_queue_empty(struct request_sock_queue *queue)
{
    return queue->rskq_accept_head == NULL;
}

然后是reqsk_queue_get_child,他主要是从accept队列中得到一个sock:

static inline struct sock *reqsk_queue_get_child(struct request_sock_queue *queue,
                         struct sock *parent)
{
///首先从accept队列中remove这个socket并返回.
    struct request_sock *req = reqsk_queue_remove(queue);
///取得socket.
    struct sock *child = req->sk;

    WARN_ON(child == NULL);
///这里主要是将sk_ack_backlog减一,也就是accept当前的数目减一.
    sk_acceptq_removed(parent);
    __reqsk_free(req);
    return child;
}

这里还有一个inet_csk_wait_for_connect,它是用来在accept队列为空的情况下,休眠掉一段时间 (这里每个socket都有一个等待队列的(等待队列的用法请google,我这里就不阐述了).这里是每个调用的进程都会声明一个wait队列,然后将 它连接到主的socket的等待队列链表中,然后休眠,等到唤醒.

static int inet_csk_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo)
{
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
///定义一个waitqueue.
    DEFINE_WAIT(wait);
    int err;
..................................................
    for (;;) {
///这里也就是把当前的进程的等待队列挂入sk中的sk_sleep队列,sk也就是主的那个socket.
        prepare_to_wait_exclusive(sk->sk_sleep, &wait,
                      TASK_INTERRUPTIBLE);
        release_sock(sk);
///再次判断是否为空.
        if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
///这个函数里面会休眠timeo时间(调用schedule让出cpu),或者被当accept队列有数据时唤醒(我们前面也有介绍这个)主的等待队列链表.,
            timeo = schedule_timeout(timeo);
        lock_sock(sk);
        err = 0;
///非空则跳出.
        if (!reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
            break;
        err = -EINVAL;
        if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
            break;
        err = sock_intr_errno(timeo);
        if (signal_pending(current))
            break;
///设置错误号.
        err = -EAGAIN;
///时间为0则直接退出.
        if (!timeo)
            break;
    }
///这里也就会从sk_sleep中remove掉当前的wait队列.
    finish_wait(sk->sk_sleep, &wait);
    return err;
}

然后来看inet_csk_accept的源码,这里有个阻塞和非阻塞的问题.非阻塞的话会直接返回的,就算accept队列为空.这个时侯设置errno为-EAGAIN.

struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err)
{
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    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;
///sk也就是主socket,他的状态我们前面也讲过会一直是TCP_LISTEN.
    if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
        goto out_err;

///然后判断accept队列是否为空
    if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue)) {
///如果是O_NONBLOCK,则返回0,此时下面的inet_csk_wait_for_connect也就会立即返回.
        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;
///休眠或者立即返回.
        error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
        if (error)
            goto out_err;
    }
///得到sock并从accept队列中remove.
    newsk = reqsk_queue_get_child(&icsk->icsk_accept_queue, sk);
    WARN_ON(newsk->sk_state == TCP_SYN_RECV);
out:
    release_sock(sk);
    return newsk;
out_err:
    newsk = NULL;
    *err = error;
    goto out;
}

最后来大概分析下connect的实现.它的具体流程是:

1 由fd得到socket,并且将地址复制到内核空间

2 调用inet_stream_connect进行主要的处理.

这里要注意connect也有个阻塞和非阻塞的区别,阻塞的话调用inet_wait_for_connect休眠,等待握手完成,否则直接返回.

asmlinkage long sys_connect(int fd, struct sockaddr __user *uservaddr,
                int addrlen)
{
    struct socket *sock;
    struct sockaddr_storage address;
    int err, fput_needed;
///得到socket.
    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (!sock)
        goto out;
///拷贝地址.
    err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, (struct sockaddr *)&address);
    if (err < 0)
        goto out_put;

    err =
        security_socket_connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen);
    if (err)
        goto out_put;
///调用处理函数.
    err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
                 sock->file->f_flags);
out_put:
    fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
    return err;
}

然后来看inet_stream_connect,他的主要工作是:

1 判断socket的状态.只有当为SS_UNCONNECTED也就是非连接状态时才调用tcp_v4_connect来进行连接处理.

2 判断tcp的状态sk_state只能为TCPF_SYN_SENT或者TCPF_SYN_RECV,才进入相关处理.

3 如果状态合适并且socket为阻塞模式则调用inet_wait_for_connect进入休眠等待握手完成,否则直接返回,并设置错误号为EINPROGRESS.

int inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
            int addr_len, int flags)
{
    struct sock *sk = sock->sk;
    int err;
    long timeo;

    lock_sock(sk);
............................................

    switch (sock->state) {
    default:
        err = -EINVAL;
        goto out;
    case SS_CONNECTED:
        err = -EISCONN;
        goto out;
    case SS_CONNECTING:
        err = -EALREADY;
        /* Fall out of switch with err, set for this state */
        break;
    case SS_UNCONNECTED:
        err = -EISCONN;
        if (sk->sk_state != TCP_CLOSE)
            goto out;
///调用tcp_v4_connect来处理连接.主要是发送syn.
        err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
        if (err < 0)
            goto out;
///设置状态.
        sock->state = SS_CONNECTING;
///设置错误号.
        err = -EINPROGRESS;
        break;
    }
///和上面的处理一样,如果非阻塞返回0,否则返回timeo.
    timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);

    if ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {
///如果非阻塞则直接返回.否则进入休眠等待三次握手完成并唤醒他.(这个函数和上面的inet_csk_wait_for_connect函数实现很类似,因此这里就不分析了)
        if (!timeo || !inet_wait_for_connect(sk, timeo))
            goto out;

        err = sock_intr_errno(timeo);
        if (signal_pending(current))
            goto out;
    }

    /* Connection was closed by RST, timeout, ICMP error
     * or another process disconnected us.
     */
    if (sk->sk_state == TCP_CLOSE)
        goto sock_error;
///设置socket状态.为已连接.
    sock->state = SS_CONNECTED;
    err = 0;
out:
    release_sock(sk);
    return err;

sock_error:
    err = sock_error(sk) ? : -ECONNABORTED;
    sock->state = SS_UNCONNECTED;
    if (sk->sk_prot->disconnect(sk, flags))
        sock->state = SS_DISCONNECTING;
    goto out;
}

tcp_v4_connect的源码就不分析了,我这里只大概的介绍下他的流程:

1 判断地址的一些合法性.

2 调用ip_route_connect来查找出去的路由(包括查找临时端口等等).

3 设置sock的状态为TCP_SYN_SENT,并调用inet_hash_connect来查找一个临时端口(也就是我们出去的端口),并加入到对应的hash链表(具体操作和get_port很相似).

4 调用tcp_connect来完成最终的操作.这个函数主要用来初始化将要发送的syn包(包括窗口大小isn等等),然后将这个sk_buffer加入 到socket的写队列.最终调用tcp_transmit_skb传输到3层.再往下的操作就可以看我前面的blog了.

最后来看下3次握手的客户端的状态变化,还是看tcp_rcv_state_process函数,这里我们进来的socket假设就是TCP_SYN_SENT状态,也就是在等待syn和ack分节:

int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
              struct tcphdr *th, unsigned len)
{
..........................................

    switch (sk->sk_state) {
    case TCP_CLOSE:
        goto discard;

    case TCP_LISTEN:
        ..................................

    case TCP_SYN_SENT:
///进入对应的状态机处理函数.
        queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th, len);
        if (queued >= 0)
            return queued;

        /* Do step6 onward by hand. */
        tcp_urg(sk, skb, th);
        __kfree_skb(skb);
        tcp_data_snd_check(sk);
        return 0;
    }

然后来看tcp_rcv_synsent_state_process中的状态变化:

static int tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
                     struct tcphdr *th, unsigned len)
{
..................

    if (th->ack) {
....................................
///如果是rst分节,则进行相关处理,
        if (th->rst) {
            tcp_reset(sk);
            goto discard;
        }
///如果过来的ack分节没有syn分节则直接丢掉这个包,然后返回.
        if (!th->syn)
            goto discard_and_undo;

..................................................
///如果校验都通过则设置状态为TCP_ESTABLISHED,下面就会发送最后一个ack分节.
        tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);

        .......................................
    }

....................................................

    if (th->syn) {
///如果只有syn分节,则此时设置状态为TCP_SYN_RECV.
        tcp_set_state(sk, TCP_SYN_RECV);

...................................
///发送ack分节给对方.
        tcp_send_synack(sk);
        goto discard;
#endif
    }
...................
}

这里如果只接受到syn,则三次握手还没完成,我们还在等待最后一个ack,因此此时有数据报的话,会再次落入tcp_rcv_state_process函数:

if (th->ack) {
///是否这个ack可被接受.
        int acceptable = tcp_ack(sk, skb, FLAG_SLOWPATH);

        switch (sk->sk_state) {
        case TCP_SYN_RECV:
            if (acceptable) {

                tp->copied_seq = tp->rcv_nxt;
                smp_mb();
///设置为TCP_ESTABLISHED,三次握手完成.
                tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
                sk->sk_state_change(sk);
///唤醒休眠在connect的队列.
                if (sk->sk_socket)
                    sk_wake_async(sk,
                              SOCK_WAKE_IO, POLL_OUT);

            ........................................
            } else {
                return 1;
            }
            break;