TCP源码分析 - 三次握手之 Connect 过程

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本文转载自微信公众号「Linux内核那些事」，作者songsong001。转载本文请联系Linux内核那些事公众号。  

本文主要分析 TCP 协议的实现，但由于 TCP 协议比较复杂，所以分几篇文章进行分析，这篇主要介绍 TCP 协议建立连接时的三次握手过程。

TCP 协议应该是 TCP/IP 协议栈中最为复杂的一个协议(没有之一)，TCP 协议的复杂性来源于其面向连接和保证可靠传输。

如下图所示，TCP 协议位于 TCP/IP 协议栈的第四层，也就是传输层，其建立在网络层的 IP 协议。

但由于 IP 协议是一个无连接不可靠的协议，所以 TCP 协议要实现面向连接的可靠传输，就必须为每个 CS(Client - Server) 连接维护一个连接状态。由此可知，TCP 协议的连接只是维护了一个连接状态，而非真正的连接。

由于本文主要介绍 Linux 内核是怎么实现 TCP 协议的，如果对 TCP 协议的原理不是很清楚的话，可以参考著名的《TCP/IP协议详解》。

三次握手过程

我们知道，TCP 协议是建立在无连接的 IP 协议之上，而为了实现面向连接，TCP 协议使用了一种协商的方式来建立连接状态，称为：三次握手。三次握手 的过程如下图：

建立连接过程如下：

• 客户端需要发送一个 SYN包 到服务端(包含了客户端初始化序列号)，并且将连接状态设置为 SYN_SENT。
• 服务端接收到客户端的 SYN包 后，需要回复一个 SYN+ACK包 给客户端(包含了服务端初始化序列号)，并且设置连接状态为 SYN_RCVD。
• 客户端接收到服务端的 SYN+ACK包 后，设置连接状态为 ESTABLISHED(表示连接已经建立)，并且回复一个 ACK包 给服务端。
• 服务端接收到客户端的 ACK包 后，将连接状态设置为 ESTABLISHED(表示连接已经建立)。

以上过程完成后，一个 TCP 连接就此建立完成。

TCP 头部

要分析 TCP 协议就免不了要了解 TCP 协议头部，我们通过下面的图片来介绍 TCP 头部的格式：

下面介绍一下 TCP 头部各个字段的作用：

• 源端口号：用于指定本地程序绑定的端口。
• 目的端口号：用于指定远端程序绑定的端口。
• 序列号：用于本地发送数据时所使用的序列号。
• 确认号：用于本地确认接收到远端发送过来的数据序列号。
• 首部长度：指示 TCP 头部的长度。
• 标志位：用于指示 TCP 数据包的类型。
• 窗口大小：用于流量控制，表示远端能够接收数据的能力。
• 校验和：用于校验数据包是否在传输时损坏了。
• 紧急指针：一般比较少用，用于指定紧急数据的偏移量(URG 标志位为1时有效)。
• 可选项：TCP的选项部分。

我们来看看 Linux 内核怎么定义 TCP 头部的结构，如下：

struct tcphdr { 
    __u16   source;   // 源端口 
    __u16   dest;     // 目的端口 
    __u32   seq;      // 序列号 
    __u32   ack_seq;  // 确认号 
    __u16   doff:4,   // 头部长度 
            res1:4,   // 保留 
            res2:2,   // 保留 
            urg:1,    // 是否包含紧急数据 
            ack:1,    // 是否ACK包 
            psh:1,    // 是否Push包 
            rst:1,    // 是否Reset包 
            syn:1,    // 是否SYN包 
            fin:1;    // 是否FIN包 
    __u16   window;   // 滑动窗口 
    __u16   check;    // 校验和 
    __u16   urg_ptr;  // 紧急指针 
}; 

从上面的定义可知，结构 tcphdr 的各个字段与 TCP 头部的各个字段一一对应。

客户端连接过程

一个 TCP 连接是由客户端发起的，当客户端程序调用 connect() 系统调用时，就会与服务端程序建立一个 TCP 连接。connect() 系统调用的原型如下：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); 

下面是 connect() 系统调用各个参数的作用：

• sockfd：由 socket() 系统调用创建的文件句柄。
• addr：指定要连接的远端 IP 地址和端口。
• addrlen：指定参数 addr 的长度。

当客户端调用 connect() 函数时，会触发内核调用 sys_connect() 内核函数，sys_connect() 函数实现如下：

int sys_connect(int fd, struct sockaddr *uservaddr, int addrlen) 
{ 
    struct socket *sock; 
    char address[MAX_SOCK_ADDR]; 
    int err; 
    ... 
    // 获取文件句柄对应的socket对象 
    sock = sockfd_lookup(fd, &err); 
    ... 
    // 从用户空间复制要连接的远端IP地址和端口信息 
    err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, address); 
    ... 
    // 调用 inet_stream_connect() 函数完成连接操作 
    err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)address, addrlen, 
                             sock->file->f_flags); 
    ... 
    return err; 
} 

sys_connect() 内核函数主要完成 3 个步骤：

• 调用 sockfd_lookup() 函数获取 fd 文件句柄对应的 socket 对象。
• 调用 move_addr_to_kernel() 函数从用户空间复制要连接的远端 IP 地址和端口信息。
• 调用 inet_stream_connect() 函数完成连接操作。

我们继续分析 inet_stream_connect() 函数的实现：

int inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr * uaddr, 
                        int addr_len, int flags) 
{ 
    struct sock *sk = sock->sk; 
    int err; 
    ... 
    if (sock->state == SS_CONNECTING) { 
        ... 
    } else { 
        // 尝试自动绑定一个本地端口 
        if (inet_autobind(sk) != 0)  
            return(-EAGAIN); 
        ... 
        // 调用 tcp_v4_connect() 进行连接操作 
        err = sk->prot->connect(sk, uaddr, addr_len); 
        if (err < 0) 
            return(err); 
        sock->state = SS_CONNECTING; 
    } 
    ... 
    // 如果 socket 设置了非阻塞, 并且连接还没建立, 那么返回 EINPROGRESS 错误 
    if (sk->state != TCP_ESTABLISHED && (flags & O_NONBLOCK)) 
        return (-EINPROGRESS); 
 
    // 等待连接过程完成 
    if (sk->state == TCP_SYN_SENT || sk->state == TCP_SYN_RECV) { 
        inet_wait_for_connect(sk); 
        if (signal_pending(current)) 
            return -ERESTARTSYS; 
    } 
    sock->state = SS_CONNECTED; // 设置socket的状态为connected 
    ... 
    return(0); 
} 

inet_stream_connect() 函数的主要操作有以下几个步骤：

• 调用 inet_autobind() 函数尝试自动绑定一个本地端口。
• 调用 tcp_v4_connect() 函数进行 TCP 协议的连接操作。
• 如果 socket 设置了非阻塞，并且连接还没建立完成，那么返回 EINPROGRESS 错误。
• 调用 inet_wait_for_connect() 函数等待连接服务端操作完成。
• 设置 socket 的状态为 SS_CONNECTED，表示连接已经建立完成。

在上面的步骤中，最重要的是调用 tcp_v4_connect() 函数进行连接操作，我们来分析一下 tcp_v4_connect() 函数的实现：

int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) 
{ 
    struct tcp_opt *tp = &(sk->tp_pinfo.af_tcp); 
    struct sockaddr_in *usin = (struct sockaddr_in *)uaddr; 
    struct sk_buff *buff; 
    struct rtable *rt; 
    u32 daddr, nexthop; 
    int tmp; 
    ... 
    nexthop = daddr = usin->sin_addr.s_addr; 
    ... 
    // 1. 获取发送数据的路由信息 
    tmp = ip_route_connect(&rt, nexthop, sk->saddr, 
                           RT_TOS(sk->ip_tos)|RTO_CONN|sk->localroute, 
                           sk->bound_dev_if); 
    ... 
    dst_release(xchg(&sk->dst_cache, rt)); // 2. 设置sk的路由信息 
 
    // 3. 申请一个skb数据包对象 
    buff = sock_wmalloc(sk, (MAX_HEADER + sk->prot->max_header), 0, GFP_KERNEL); 
    ... 
    sk->dport = usin->sin_port; // 4. 设置目的端口 
    sk->daddr = rt->rt_dst;     // 5. 设置目的IP地址 
    ... 
    if (!sk->saddr) 
        sk->saddr = rt->rt_src; // 6. 如果没有指定源IP地址, 那么使用路由信息的源IP地址 
    sk->rcv_saddr = sk->saddr; 
    ... 
    // 7. 初始化TCP序列号 
    tp->write_seq = secure_tcp_sequence_number(sk->saddr, sk->daddr, sk->sport, 
                                               usin->sin_port); 
    ... 
    // 8. 重置TCP最大报文段大小 
    tp->mss_clamp = ~0; 
    ... 
    // 9. 调用 tcp_connect() 函数继续进行连接操作 
    tcp_connect(sk, buff, rt->u.dst.pmtu); 
    return 0; 
} 

tcp_v4_connect() 函数只是做一些连接前的准备工作，如下：

• 调用 ip_route_connect() 函数获取发送数据的路由信息，并且将路由信息保存到 socket 对象的路由缓存中。
• 调用 sock_wmalloc() 函数申请一个 skb 数据包对象。
• 设置 目的端口 和 目的 IP 地址。
• 如果没有指定 源 IP 地址，那么使用路由信息中的 源 IP 地址。
• 调用 secure_tcp_sequence_number() 函数初始化 TCP 序列号。
• 重置 TCP 协议最大报文段的大小。
• 调用 tcp_connect() 函数发送 SYN包 给服务端程序。

由于 TCP三次握手 的第一步是由客户端发送 SYN包 给服务端，所以我们主要关注 tcp_connect() 函数的实现，其代码如下：

void tcp_connect(struct sock *sk, struct sk_buff *buff, int mtu) 
{ 
    struct dst_entry *dst = sk->dst_cache; 
    struct tcp_opt *tp = &(sk->tp_pinfo.af_tcp); 
 
    skb_reserve(buff, MAX_HEADER + sk->prot->max_header); // 保留所有的协议头部空间 
 
    tp->snd_wnd = 0; 
    tp->snd_wl1 = 0; 
    tp->snd_wl2 = tp->write_seq; 
    tp->snd_una = tp->write_seq; 
    tp->rcv_nxt = 0; 
    sk->err = 0; 
    // 设置TCP头部长度 
    tp->tcp_header_len = sizeof(struct tcphdr) + 
                           (sysctl_tcp_timestamps ? TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED : 0); 
    ... 
    tcp_sync_mss(sk, mtu); // 设置TCP报文段最大长度 
    ... 
    TCP_SKB_CB(buff)->flags = TCPCB_FLAG_SYN; // 设置SYN标志为1(表示这是一个SYN包) 
    TCP_SKB_CB(buff)->sacked = 0; 
    TCP_SKB_CB(buff)->urg_ptr = 0; 
    buff->csum = 0; 
    TCP_SKB_CB(buff)->seq = tp->write_seq++;   // 设置序列号 
    TCP_SKB_CB(buff)->end_seq = tp->write_seq; // 设置确认号 
    tp->snd_nxt = TCP_SKB_CB(buff)->end_seq; 
 
    // 初始化滑动窗口的大小 
    tp->window_clamp = dst->window; 
    tcp_select_initial_window(sock_rspace(sk)/2, tp->mss_clamp, 
                              &tp->rcv_wnd, &tp->window_clamp, 
                              sysctl_tcp_window_scaling, &tp->rcv_wscale); 
    ... 
    tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT); // 设置 socket 的状态为 SYN_SENT 
 
    // 调用 tcp_v4_hash() 函数把 socket 添加到 tcp_established_hash 哈希表中 
    sk->prot->hash(sk); 
 
    tp->rto = dst->rtt; 
    tcp_init_xmit_timers(sk); // 设置超时重传定时器 
    ... 
    // 把 skb 添加到 write_queue 队列中, 用于重传时使用 
    __skb_queue_tail(&sk->write_queue, buff); 
    TCP_SKB_CB(buff)->when = jiffies; 
    ... 
    // 调用 tcp_transmit_skb() 函数构建 SYN 包发送给服务端程序 
    tcp_transmit_skb(sk, skb_clone(buff, GFP_KERNEL)); 
    ... 
} 

tcp_connect() 函数的实现虽然比较长，但是逻辑相对简单，就是设置 TCP 头部各个字段的值，然后把数据包发送给服务端。下面列出 tcp_connect() 函数主要的工作：

• 设置 TCP 头部的 SYN 标志位 为 1 (表示这是一个 SYN包)。
• 设置 TCP 头部的序列号和确认号。
• 初始化滑动窗口的大小。
• 设置 socket 的状态为 SYN_SENT，可参考上面三次握手的状态图。
• 调用 tcp_v4_hash() 函数把 socket 添加到 tcp_established_hash 哈希表中，用于通过 IP 地址和端口快速查找到对应的 socket 对象。
• 设置超时重传定时器。
• 把 skb 添加到 write_queue 队列中, 用于超时重传。
• 调用 tcp_transmit_skb() 函数构建 SYN包 发送给服务端程序。

注意：Linux 内核通过 tcp_established_hash 哈希表来保存所有的 TCP 连接 socket 对象，而哈希表的键值就是连接的 IP 和端口，所以可以通过连接的 IP 和端口从 tcp_established_hash 哈希表中快速找到对应的 socket 连接。如下图所示：

通过上面的分析，构建 SYN包 并且发送给服务端是通过 tcp_transmit_skb() 函数完成的，所以我们来分析一下 tcp_transmit_skb() 函数的实现：

void tcp_transmit_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) 
{ 
    if (skb != NULL) { 
        struct tcp_opt *tp = &(sk->tp_pinfo.af_tcp); 
        struct tcp_skb_cb *tcb = TCP_SKB_CB(skb); 
        int tcp_header_size = tp->tcp_header_len; 
        struct tcphdr *th; 
        ... 
        // TCP头部指针 
        th = (struct tcphdr *)skb_push(skb, tcp_header_size); 
        skb->h.th = th; 
 
        skb_set_owner_w(skb, sk); 
 
        // 构建 TCP 协议头部 
        th->source = sk->sport;                // 源端口 
        th->dest = sk->dport;                  // 目标端口 
        th->seq = htonl(TCP_SKB_CB(skb)->seq); // 请求序列号 
        th->ack_seq = htonl(tp->rcv_nxt);      // 应答序列号 
        th->doff = (tcp_header_size >> 2);     // 头部长度 
        th->res1 = 0; 
        *(((__u8 *)th) + 13) = tcb->flags;     // 设置TCP头部的标志位 
 
        if (!(tcb->flags & TCPCB_FLAG_SYN)) 
            th->window = htons(tcp_select_window(sk)); // 滑动窗口大小 
 
        th->check = 0;                                 // 校验和 
        th->urg_ptr = ntohs(tcb->urg_ptr);             // 紧急指针 
        ... 
        // 计算TCP头部的校验和 
        tp->af_specific->send_check(sk, th, skb->len, skb); 
        ... 
        tp->af_specific->queue_xmit(skb); // 调用 ip_queue_xmit() 函数发送数据包 
    } 
} 

tcp_transmit_skb() 函数的实现相对简单，就是构建 TCP 协议头部，然后调用 ip_queue_xmit() 函数将数据包交由 IP 协议发送出去。

至此，客户端就发送了一个 SYN包 给服务端，也就是说，TCP 三次握手 的第一步已经完成。