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Linux深入理解TCP协议（connect、bind、listen、accept）及其源码
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文章目录
基本知识TCP/UDP/IPOSI七层模型TCP/UDP区别TCP通信特点UDP通信特点
TCP建立连接的三次握手过程TCP编码流程服务器创建socketbind绑定ip和端口号listen启动监听accept接收连接的套接字recv获取数据send发送数据小结
客户端客户端和服务器通信
探究使用Linux Socket api建立TCP连接的过程bind，listenconnect
从源码角度分析TCP三次握手的过程对tcp_v4_connect的部分源码分析
主要探讨的问题就是connect及bind、listen、accept背后的三次握手相关问题
基本知识
TCP/UDP/IP
协议连接可靠服务TCP面向连接的可靠的字节流服务UDP无连接不可靠的数据报服务IP无连接不可靠的无状态的
RUDP:介于TCP和UDP中间，两者取其中。 OSI七层模型
TCP与UDP通信过程建立的区别。除了它们通信过程建立的不同之外，两者还有以下区别： TCP通信特点1）可靠性； 通信双方均就位，一方发送数据，另一方收到后会做出回应，如果超时未发送成功，会自动重发，数据不会丢失。 2）顺序性； 既然数据是按顺序走在建立的一条隧道中，那么数据遵循“先走先达到”的规则，并且隧道中的数据以“流”的形式传输，发送方发送的前后两次数据之间没有边界，需要接收方自己根据事先规定好的“协议”去判断数据边界。 3）高损耗。 “高损耗”包括机器性能损耗高、宽带流量损耗高。因为通信双方时刻需要维持着连接的存在，这必然会损耗通信双方主机性能，要想维持隧道的通畅，通信双方必须不断地发送检测包和应答包，同时，它还支持数据重发等数据纠错功能，这些都将导致网络流量的增加。 UDP通信特点1）不可靠性； 既然无连接，发送方只管发送数据，而不管对方是否能够正确地接收到数据，更不负责数据超时重发等功能。 2）无序性； 数据以“数据报”的形式发送，可以把“数据报”看成是一个“包”。如果把TCP传输数据比如成“河里的流水”，那么UDP传输数据就是‘邮局寄信’。发送方先发送的数据可能后到达，后发送的数据可能先到达，这个跟短消息类似。 3）低损耗。 “低损耗”包括机器性能损耗低、宽带流量损耗低。UDP通信不需要维持一个连接的存在，所以它不需要消耗额外的机器性能。同时它也没有像TCP通信那样为了保持隧道的通畅，而必须不停地发送检测包和应答包，更不会进行一些数据检测纠错、重发等行为。 这次我们只讨论TCP通信。 TCP建立连接的三次握手过程首先还是老生常谈的三次握手问题，还是照惯例先来再温习一遍 实现TCP需要的头文件： #include #include #include #include 需要的函数原型： 创建socket① int socket(int domain, int type, int protocol);//创建socket 返回值：-1 出错，只要返回值>=0即正确 返回的值，也是文件描述符 socket文件描述符domain：协议簇 一般用AF_INET(TCP/IP)协议簇type:在该协议簇下选择的具体的协议 TCP:SOCK_STREAM UDP:SOCK_DGRAMpro:具体的协议下更具体的协议：默认给0 bind绑定ip和端口号② int bind(int sockfd, struct sockaddr *seraddr, socklen_t); sockfd：socket返回的文件描述符struct sockaddr *seraddr:服务器端的ip地址socklen_t:第二个参数的长度为了了解这个函数我们还需要知道： TCP如何标识一台主机？ 需要知道 IP地址 + 端口号 struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family;//地址族 u_int16_t sin_port;//端口号 struct in_addr sin_addr;IP地址 } struct in_addr { u_int32_t s_addr;//无符号32位整型值 }端口号的转化函数：将IP地址转化成整型值 端口号取值范围：0-65535 但0-1024(无法使用，系统预留) 1024-5000保留 一般我们用5000以上端口号 地址转化函数： 大端模式：高位存低地址 小端模式：高位存高地址 网络字节序： 都用的大端模式(如果主机是小端模式不经过转化在网络中传输数据就会乱套) listen启动监听③ int listen(int sockfd, int size);//给sockfd启动监听 sockfd:socket返回的socket值监听sockfd套接字。监听：等客户端连接size:指定已完成连接队列的大小。一般为：size + 1 两个队列： 已完成连接的队列 正在完成连接的队列 accept接收连接的套接字④ int accept(int sockfd, struct sockaddr* cliaddr, int len); sockfd：接收连接的套接字struct coskaddr cliaddr:客户端连接时内核自动填充int *len:填充的大小返回值：返回维护本次连接的文件描述符，服务器和客户端通讯时通过accept返回的文件描述符进行通讯 recv获取数据⑤ int recv(int c, void *buff ,int buffsize, int flag);//获取数据 int c:标识从哪个客户端来获取数据void *buff:读到的数据存放在哪int buffsize:buff缓冲区的大小有多少，一次最多读多少个字节的数据int flag:不用默认给0 send发送数据⑥int send(int c, void *buff,int datasize, int flag); 发送数据 int c：将数据发送给谁void *buff：发送的数据从哪开始int datasize：数据的大小int flag:不用默认给0 小结服务器端编码流程： 调用socket()创建套接字;定义strcuct sockaddr_in ser,cli;对地址族，端口号，IP地址进行赋值；bind()进行命名；listen进行启动监听while(1)循环 { int c = accept();获取连接 while(1)//一个客户端与服务器进行多次通讯 { recv()/send(); }//收发 }//一个服务器可以多次处理不同客户端的连接close(); 如下图为TCP服务器的创建： 
客户端
需要的函数原型： ① int socket(int domain, int type, int protocol);//与前面一样 ② int connect(int sockfd, (struct sockaddr*)seraddr, int len);//发起连接 int sockfd：上面socket返回的文件描述符(struct sockaddr*)seraddr：和哪个服务器进行连接，服务器的地址和端口号int len：连接的长度返回：-1 连接失败 返回>-1 成功③ int send(int c, void *buff,int datasize, int flag);//发起连接 ④ int recv(int c, void *buff ,int buffsize, int flag);//获取数据 ⑤ close();//发送数据 客户端编码流程： 1.socker();创建套接字 2.connect();发起连接和服务器进行连接 3.while(1)//多次接受发送数据 { send()/recv();多次 } 4.close();下图为TCP客户端的创建：
其中，和建立连接有关系的socket api主要是：connect、bind、listen和accept 为了探究建立连接时发生了什么，和TCP三次握手有什么关系，我们使用之前实验所写的hello/hi程序，用gdb为这四个函数打上断点，并使用wireshark监视相应端口，抓取数据包 bind，listen当服务端运行bind，listen后，并没有捕获到任何数据包 直到客户端运行connect后，才捕获到TCP三次握手发送的数据包，如下图所示 可以通过抓取的数据包信息看到Socket是如何建立TCP连接的 由客户端（44434端口）发送SYN数据报给服务端（65432端口）,其中seq=0（这里和后面的seq，都是显示的相对seq，实际并不是0）服务端返回SYN+ACK数据报给客户端，其中ack=1,seq=0客户端返回ACK数据报，其中ack=1通过这个实践可以推测，TCP的三次握手是在connect和accept之间完成的，bind和listen只是完成绑定和监听的功能 从源码角度分析TCP三次握手的过程在上一个实验探究Socket底层是如何实现多态机制的时候，我们发现socket结构体中有一个名为ops的结构体指针，结构体中又通过函数指针绑定了具体的底层函数，完成了connect、accept的实现。在struct proto tcp_prot的初始化中我们可以找到对应的绑定函数。 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, ... };可以看到，socket->ops->connect绑定了函数tcp_v4_connect，socket->ops->accept绑定了inet_csk_accept 对tcp_v4_connect的部分源码分析 ... //设置套接字状态，从CLOSE变为TCP_SYN_SENT，对应客户端从CLOSED->SYN_SENT这一过程 tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT); //将套接字sk放入TCP连接管理哈希链表中 err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk); if (err) goto failure; //为连接分配一个随机的空闲端口 err = ip_route_newports(&rt, IPPROTO_TCP, inet->inet_sport, inet->inet_dport, sk); if (err) goto failure; ... ... if (!tp->write_seq) //初始化报文内容 tp->write_seq = secure_tcp_sequence_number(inet->inet_saddr, inet->inet_daddr, inet->inet_sport, usin->sin_port); inet->inet_id = tp->write_seq ^ jiffies; //构建并发送SYN数据报 err = tcp_connect(sk); rt = NULL; if (err) goto failure; ...对inet_csk_accept的部分源码分析 在分析代码前我们需要了解,套接字有监听套接字和具体通信的套接字（accept返回的那个）。监听套接字的扩展结构inet_connection_sock中存在icsk_accept_queue成员,此成员中有两个队列,一个用于完全建立连接(完成三次握手)的队列,此队列项中会包含新建的 用于通信的sock结构,在进程不在阻塞获得此sock结构后会把此队列项从完全建立连接的队列删除.此队列的最大长度即是listen(int s, int backlog)中第二个参数指定的；另一个队列是半连接队列,即还没有完成三次握手的队列项会加入到此队列,此队列项中的sock完成三次握手后会从此队列中移除,添加到完全建立连接的队列中 ... //检查套接字是否处于监听状态（应该是在调用listen时设置的） error = -EINVAL; if (sk->sk_state != TCP_LISTEN) goto out_err; //在监听套接字上的连接队列如果为空（没有任何连接完成） if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue)) { //设置接收超时时间,若调用accept的时候设置了O_NONBLOCK,表示马上返回不阻塞进程 long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK); error = -EAGAIN; if (!timeo)//如果是非阻塞模式timeo为0 则马上返回 goto out_err; //将进程阻塞,等待连接的完成,inet_csk_wait_for_connect核心是一个循环，等待三次握手中，客户端发来的最后一个ACK报文 error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo); if (error) goto out_err; } //在监听套接字建立连接的队列中删除此request_sock连接项 并返回建立连接的sock newsk = reqsk_queue_get_child(&icsk->icsk_accept_queue, sk); //套接字状态变为TCP_SYN_RECV，对应连接建立完成，服务端进入ESTABLISHED状态 WARN_ON(newsk->sk_state == TCP_SYN_RECV)分析这两段代码后，我们对TCP连接的建立已经有了一部分认知，tcp_v4_connect()会发送SYN报文开始三次握手，而inet_csk_accept接收来自客户端的ACK报文，标志着TCP连接建立完成。 三次握手的分析还并不完整，服务器端是如何接收第一次握手发来的SYN数据报，并返回SYN+ACK数据报的？实际上服务器端接收到SYN报文后，最终会调用tcp_v4_do_rcv()进行处理， 和tcp_send_ack()一起返回第二次握手中的SYN+ACK报文，客户端则是使用tcp_send_ack() 返回最后的ACK报文。受限于篇幅，不再对这些函数的源码进行分析 |
主机字节序：
从创建socket，到建立连接接收数据，最后关闭socket的过程如上图所示。
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