TCP连接建立系列 — 连接请求块
连接请求块(request_sock)之于TCP三次握手,就如同网络数据包(sk_buff)之于网络协议栈,都是核心的数据结构。
内核版本:3.6
Author:zhangskd @ csdn blog
存储队列
连接请求块的存储队列:包括全连接队列、半连接队列。
- /**
- * @icsk_accept_queue: FIFO of established children
- */
- struct inet_connection_sock {
- ...
- /* 存放SYN_RECV、ESTABLISHED状态的连接请求块tcp_request_sock */
- struct request_sock_queue icsk_accept_queue;
- ...
- };
- /* struct request_sock_queue - queue of request_sock
- * @rskq_accept_head: FIFO head of established children
- * @rskq_accept_tail: FIFO tail of established children
- * @syn_wait_lock: serializer
- * @rskq_defer_accept: User waits for some data after accept()
- */
- struct request_sock_queue {
- struct request_sock *rskq_accept_head; /* ESTABLISHED状态请求块的头,等待accept */
- struct request_sock *rskq_accept_tail; /* ESTABLISHED状态请求块的尾 */
- rwlock_t syn_wait_lock; /* listen_opt及其成员的读写锁 */
- u8 rskq_defer_accept;
- /* 3 byte hole, try to pack */
- struct listen_sock *listen_opt; /* SYN_RECV状态的请求块,等待ACK */
- };
连接请求块(request_sock)保存在两个队列中:
(1) 处于SYN_RECV状态,即半连接队列
保存在icsk->icsk_accept_queue.listen_opt中,这个listen_sock实例在listen()后创建。
当客户端的ACK到达时,连接请求块会被移动到ESTABLISHED状态的连接请求块队列中。
注意,半连接队列是在listen()时创建的。
(2) 处于ESTABLISHED状态,即全连接队列
保存在icsk->icsk_accept_queue.rskq_accept_head和icsk->icsk_accept_queue.rskq_accept_tail
所指定的FIFO队列中。此队列的连接请求块等待accept()的获取。
listen_sock用于保存SYN_RECV状态的连接请求块,它的实例在listen()时创建。
- /* struct listen_sock - listen state
- *
- * @max_qlen_log - log_2 of maximal queued SYNs/REQUSTs
- */
- struct listen_sock {
- u8 max_qlen_log; /* 半连接队列最大长度的log2 */
- u8 synflood_warned; /* SYN Flood标志 */
- /* 2 bytes hole, try to use */
- int qlen; /* 当前连接请求块的数目 */
- int qlen_young; /* 当前未重传过SYNACK的请求块数目 */
- int clock_hand;
- u32 hash_rnd; /* 一个随机数,用于计算hash值 */
- u32 nr_table_entries; /* 半连接队列最大长度 */
- struct request_sock *syn_table[0]; /* 连接请求块的指针数组 */
- };
连接请求块
最基本表示。
- /* struct request_sock - mini sock to represent a connection request */
- struct request_sock {
- struct request_sock *dl_next; /* Must be first member! */
- u16 mss; /* 客户端通告的MSS */
- u8 retrans; /* SYNACK的重传次数 */
- u8 cookie_ts; /* syncookie: encode tcpopts in timestamp */
- u32 window_clamp; /* 本端的最大通告窗口 */
- u32 rcv_wnd; /* 本端的接收窗口大小 */
- u32 ts_recent; /* 下个发送段的时间戳回显值 */
- unsigned long expires; /* SYNACK的超时时间 */
- const struct request_sock_ops *rsk_ops; /* 指向tcp_request_sock_ops,操作函数 */
- struct sock *sk; /* 连接建立之前无效 */
- u32 secid;
- u32 peer_secid;
- };
inet层表示。
- struct inet_request_sock {
- struct request_sock req;
- #if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)
- u16 inet6_rsk_offset;
- #endif
- __be16 loc_port; /* 本端端口 */
- __be32 loc_addr; /* 本端IP */
- __be32 rmt_addr; /* 客户端IP */
- __be16 rmt_port; /* 客户端端口 */
- kmemcheck_bitfield_begin(flags);
- u16 snd_wscale : 4, /* 对端的扩大因子 */
- rcv_wscale : 4, /* 本端的扩大因子 */
- tstamp_ok : 1, /* 连接是否支持TIMESTAMP选项 */
- sack_ok : 1, /* 连接是否支持SACK选项 */
- wscale_ok : 1, /* 连接是否支持Window Scale选项 */
- ecn_ok : 1, /* 连接是否支持ECN选项 */
- acked : 1,
- no_srccheck : 1;
- kmemcheck_bitfield_end(flags);
- struct ip_options_rcu *opt; /* IP选项 */
- };
TCP层表示为tcp_request_sock。
- struct tcp_request_sock {
- struct inet_request_sock req;
- #ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG
- /* Only used by TCP MD5 Signature so far. */
- const struct tcp_request_sock_ops *af_specific;
- #endif
- u32 rcv_isn; /* 客户端的初始序列号 */
- u32 snt_isn; /* 本端的初始序列号 */
- u32 snt_synack; /* synack sent time */
- };
操作函数
request_sock_ops为处理连接请求块的函数指针表,对于TCP,它的实例为tcp_request_sock_ops。
- struct request_sock_ops {
- int family; /* 所属的协议族 */
- int obj_size; /* 连接请求块的大小 */
- struct kmem_cache *slab; /* 连接请求块的高速缓存 */
- char *slab_name;
- /* 重传SYNACK */
- int (*rtx_syn_ack) (struct sock *sk, struct request_sock *req, struct request_values *rvp);
- /* 发送ACK */
- void (*send_ack) (struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct request_sock *req);
- /* 发送RST */
- void (*send_reset) (struct sock *sk, struct sk_buff *skb);
- /* 析构函数 */
- void (*destructor) (struct request_sock *req);
- /* SYNACK超时处理函数 */
- void (*syn_ack_timeout) (struct sock *sk, struct request_sock *req);
- };
对于TCP,它的实例为tcp_request_sock_ops。
- struct request_sock_ops tcp_request_sock_ops__read_mostly = {
- .family = PF_INET,
- .obj_size = sizeof(struct tcp_request_sock),
- .rtx_syn_ack = tcp_v4_rtx_synack,
- .send_ack = tcp_v4_reqsk_send_ack,
- .destructor = tcp_v4_reqsk_destructor,
- .send_reset = tcp_v4_send_reset,
- .syn_ack_timeout = tcp_syn_ack_timeout,
- };
建立连接时处理
(1)分配
从缓存块中分配一个request_sock实例,并指定此实例的操作函数集。
- static inline struct request_sock *inet_reqsk_alloc(struct request_sock_ops *ops)
- {
- struct request_sock *req = reqsk_alloc(ops); /* 分配一个连接请求块 */
- struct inet_request_sock *ireq = inet_rsk(req);
- if (req != NULL) {
- kmemcheck_annotate_bitfield(ireq, flags);
- ireq->opt = NULL;
- }
- return req;
- }
- static inline struct request_sock *reqsk_alloc(const struct request_sock_ops *ops)
- {
- struct request_sock *req = kmem_cache_alloc(ops->slab, GFP_ATOMIC); /* 从缓存块中分配 */
- if (req != NULL)
- req->rsk_ops = ops; /* 指定此连接请求块的操作函数集 */
- return req;
- }
(2)释放
释放一个request_sock实例。
- static inline void reqsk_free(struct request_sock *req)
- {
- req->rsk_ops->destructor(req); /* 对于TCP是tcp_v4_reqsk_destructor() */
- __reqsk_free(req);
- }
- /* IPv4 request_sock destructor. */
- static void tcp_v4_reqsk_destructor(struct request_sock *req)
- {
- kfree(inet_rsk(req)->opt); /* 释放IP选项 */
- }
- static inline void __reqsk_free(struct request_sock *req)
- {
- kmem_cache_free(req->rsk_ops->slab, req);
- }
(3)初始化
初始化连接请求块,包括request_sock、inet_request_sock、tcp_request_sock。
- 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; /* 本端的初始接收窗口大小 */
- req->cookie_ts = 0; /* syncookie: encode tcpopts in timestamp */
- tcp_rsk(req)->rcv_isn = TCP_SKB_CB(skb)->seq; /* 客户端的初始序列号 */
- req->mss = rx_opt->mss_clamp; /* 客户端通告的MSS */
- req->ts_recent = rx_opt->saw_tstamp ? rx_opt->rcv_tsval : 0; /* 客户端SYN的时间戳 */
- ireq->tstamp_ok = rx_opt->tstamp_ok; /* 连接是否使用TIMESTAMP选项 */
- ireq->sack_ok = rx_opt->sack_ok; /* 连接是否使用SACK选项 */
- ireq->snd_wscale = rx_opt->snd_wscale; /* 对端的窗口扩大因子 */
- ireq->wscale_ok = rx_opt->wscale_ok; /* 连接是否使用Window Scaling选项 */
- ireq->acked = 0;
- ireq->ecn_ok = 0;
- ireq->rmt_port = tcp_hdr(skb)->source; /* 对端的端口 */
- ireq->loc_port = tcp_hdr(skb)->dest; /* 本端的端口 */
- }
(4)入队列
把连接请求块链入半连接队列中。
- void inet_csk_reqsk_queue_hash_add(struct sock *sk, struct request_sock *req, unsigned long timeout)
- {
- struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
- struct listen_sock *lopt = icsk->icsk_accept_queue.listen_opt; /* 半连接队列 */
- /* 根据目的IP、目的端口和随机数,计算出该连接请求块的hash值 */
- const u32 h = inet_synq_hash(inet_rsk(req)->rmt_addr, inet_rsk(req)->rmt_port, lopt->hash_rnd,
- lopt->nr_table_entries);
- /* 设置连接请求块的超时时间、按照hash值把它链入半连接队列 */
- reqsk_queue_hash_req(&icsk->icsk_accept_queue, h, req, timeout);
- /* 更新半连接队列长度,如果之前为0,则启动定时器 */
- inet_csk_reqsk_queue_added(sk, timeout);
- }
设置连接请求块的超时时间、按照hash值把它链入半连接队列。
- static inline void reqsk_queue_hash_req(struct request_sock_queue *queue, u32 hash,
- struct request_sock *req, unsigned long timeout)
- {
- struct listen_sock *lopt = queue->listen_opt; /* 半连接队列 */
- req->expires = jiffies + timeout; /* SYNACK的超时时间 */
- req->retrans = 0; /* SYNACK的重传次数 */
- req->sk = NULL; /* 连接尚未建立 */
- req->dl_next = lopt->syn_table[hash]; /* 指向下一个req */
- write_lock(&queue->syn_wait_lock);
- lopt->syn_table[hash] = req; /* 把请求链入半连接队列 */
- write_unlock(&queue->syn_wait_lock);
- }
- static inline void inet_csk_reqsk_queue_added(struct sock *sk, const unsigned long timeout)
- {
- /* 更新半连接队列长度,如果之前的长度为0 */
- if (reqsk_queue_added(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue) == 0)
- inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, timeout); /*启动定时器 */
- }
- static inline int reqsk_queue_added(struct request_sock_queue *queue)
- {
- struct listen_opt *lopt = queue->listen_opt; /* 半连接队列 */
- const int prev_qlen = lopt->qlen; /* 之前的半连接队列长度 */
- lopt->qlen_young++; /* 更新未重传过的请求块数 */
- lopt->qlen++; /* 更新半连接队列长度 */
- return prev_qlen;
- }
- void inet_csk_reset_keepalive_timer(struct sock *sk, unsigned long len)
- {
- sk_reset_timer(sk, &sk->sk_timer, jiffies + len);
- }
根据目的IP、目的端口和随机数,计算出该连接请求块的hash值。
- static inline u32 inet_synq_hash(const __be32 raddr, const __be16 rport, const u32 rnd,
- const u32 synq_hsize)
- {
- return jhash_2words((__force u32) raddr, (__force u32) rport, rnd) & (synq_hsize - 1);
- }
- static inline u32 jhash_2words(u32 a, u32 b, u32 initval)
- {
- return jhash_3words(a, b, 0, initval);
- }
- static inline u32 jhash_3words(u32 a, u32 b, u32 c, u32 initval)
- {
- a += JHASH_INITVAL;
- b += JHASH_INITVAL;
- c += initval;
- __jhash_final(a, b, c);
- return c;
- }
- /* An arbitrary initial parameter */
- #define JHASH_INITVAL 0xdeadbeef
- /* __jhash_final - final mixing of 3 32-bit values (a, b, c) into c */
- #define __jhash_final(a, b, c) \
- {
- c ^= b; c -= rol32(b, 14); \
- a ^= c; a -= rol32(c, 11); \
- b ^= a; b -= rol32(a, 25); \
- c ^= b; c -= rol32(b, 16); \
- a ^= c; a -= rol32(c, 4); \
- b ^= a; b -= rol32(a, 14); \
- c ^= b; c -= rol32(b, 24); \
- }
- /**
- * rol32 - rotate a 32-bit value left
- * @word: value to rotate
- * @shift: bits to roll
- */
- static inline __u32 rol32(__u32 word, unsigned int shift)
- {
- return (word << shift) | (word >> (32 - shift));
- }
(5) 出队列
把连接请求块从半连接队列中删除。
- static inline void inet_csk_reqsk_queue_drop(struct sock *sk, struct request_sock *req,
- struct request_sock **prev)
- {
- inet_csk_reqsk_queue_unlink(sk, req, prev); /* 把连接请求块从半连接队列中删除 */
- inet_csk_reqsk_queue_removed(sk, req); /* 更新半连接队列长度,如果为0,则删除定时器 */
- reqsk_free(req); /* 释放连接请求块 */
- }
- 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);
- }
把连接请求块从半连接队列中删除。
- 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);
- *prev_req = req->dl_next; /* 改变了指针的值,相当于删除了req指向的实例 */
- write_unlock(&queue->syn_wait_lock);
- }
- static inline void inet_csk_reqsk_queue_removed(struct sock *sk, struct request_sock *req)
- {
- /* 如果半连接队列长度为0,则删除定时器 */
- if (reqsk_queue_removed(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue, req) == 0)
- inet_csk_delete_keepalive_timer(sk);
- }
更新未重传过的连接请求块数、更新半连接队列长度。
- static inline int reqsk_queue_removed(struct request_sock_queue *queue, struct request_sock *req)
- {
- struct listen_sock *lopt = queue->listen_opt;
- if (req->retrans == 0)
- --lopt->qlen_yong;
- return --lopt->qlen;
- }
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