《TCP/IP具体解释卷2：实现》笔记--协议控制块

协议层使用协议控制块（PCB）存放各UDP和TCP插口所要求的多个信息片。Internet协议维护Internet协议控制块

（internet protocol control block）和TCP控制块（TCP control block）。由于UDP是无连接的。所以一个端结点须要的

全部信息都在Internet PCB中找到，不存在UDP控制块。

Internet PCB含有全部UDP和TCP端结点共同拥有的信息：外部和本地IP地址、外部和本地端号、IP首部原型、该端结点使用的

IP选项以及一个指向该端结点目的地址选路表入口的指针。TCP控制块包括了TCP为各连接维护的全部结点信息：两个方向

的序号、窗体大小、重传次数等等。

下图总结了协议控制块以及它们与file和socket结构之间的关系。

图中有几个要点要考虑：

1.当socket或accept创建一个插口后，插口层生成一个file结构和一个socket结构。文件类型是DTYPE_SOCKET，UDP端结点

的插口类型是SOCK_DGRAM，TCP端结点插口类型是SOCK_STREAM。

2.然后调用协议层。UDP创建一个Internet PCB（一个inpcb结构），并把它链接到socket结构上：so_pcb成员指向inpcb结构，

inp_socket成员指向socket结构。

3.TCP做相同的工作，也创建它自己的控制块（一个inpcb结构），并用指针inp_ppcb和t_inpcb把它链接到inpcb上。在两个

UDP inpcb中，inp_ppcb成员是一个空指针。由于UDP不负责维护它自己的控制块。

4.我们显示的其它四个inpcb结构的成员，从inp_faddr到inp_lport,形成了该端结点的插口对：外部IP地址和端口号，以及

本地IP地址和port号。

5.UDP和TCP用指针inp_next和inp_prev维护一个全部Internet PCB的双向链表。他们在表头分配一个全局inpcb（命名为udb

和tcb）。在该结构中使用三个成员：下一个和前一个指针，以及本地port号。后一个成员中包括了该协议使用的下一个暂时

port号。

Internet PCB是一个传输层数据结构。TCP、UDP和原始IP使用它，可是IP、ICMP或IGMP不用它。

1.inpcb的结构

下图是inpcb结构的定义。

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inp_next和inp_prev为UDP和TCP的全部PCB形成一个双向链表。另外。每一个PCB都有一个指向协议链表表头的指针（inp_head）。

对UDP表上的PCB，inp_head总是指向udb。

inp_faddr、inp_fport、inp_laddr和inp_lport。包括了这个IP端结点的插口对：外部IP地址和端口号，以及本地IP地址和

port号。PCB中以网络字节序维护这四个值。

inp_socket是一个指向该PCB的socket结构的指针。inp_ppcb是一个指针，它指向这个PCB的可选运输层专用控制块。inp_ppcb

和TCP一起指向相应的tcpcb，而UDP不使用它。

假设ip有一个到外部地址的路由，则它被保存在ipp_route入口处。

当收到一个ICMP重定向报文时。将扫描全部Internet PCB，

找到那些外部IP地址和重定向IP地址匹配的PCB，将其inp_route入口标记成无效。当再次将该PCB用于输出时，迫使IP又一次找

一条到该外部地址的新路由。

inp_flag成员存放几个标志。下图显示了各标志。

PCB中维护一个IP首部的备份，但它仅仅使用当中的两个成员，TOS和TTL。TOS被初始化成0，TTL被运输层初始化。TCP和UDP都

把TTL默认值设为64。

进程能够用IP_TOS或IP_TTL插口选项改变这些默认值。新的记录在inpcb-inp_ip结构中。

以后，TCP和

UDP在发送IP数据报时，却把该结构用作原型IP首部。

进程也能够用IP_OPTIONS插口选项设置外出数据报的IP选项，函数ip_pcbopts把调用方选项的备份存放在一个mbuf中，

inp_option成员是一个指向该mbuf的指针。每次TCP和UDP调用ip_output函数时，就把一个指向这些IP首部的指针传给IP，IP

将其插到出去的IP数据报中。类似地，inp_moptions成员是一个指向用户IP多播选项备份的指针。

2.in_pcballoc和in_pcbdetach函数

在创建插口时，TCP、UDP和原始IP会分配一个InternetPCB。

通过公布PRU_ATTACH请求后，调用in_pcballoc函数实现：函数

调用内核的内存分配器，分配一个inpcb，然后进行初始化，最后被加到协议的双向链表上。

在公布PRU_DETACH请求后，释放一个Internet PCB，这是在关闭插口时发生的。通过把PCB从协议的双向链表中移走，该PCB

使用的内存被返回给内核。

3.绑定、连接和分用

1.绑定本地IP地址和port号。

下图是进程在调用bind时能够指定的本地IP地址和本地port号的六种组合。



假设客户程序试图绑定一个已经被其它插口使用的本地port时会发生什么情况。默认情况下，假设一个port已经被使用，进程

是不能绑定它的。假设发生这样的情况，则返回EADDRINUSE差错（地址正在被使用）。正在被使用的定义非常easy。就是仅仅要存在

一个PCB，就把该port作为它的本地port。“正在被使用”的概念是相对于绑定协议的：TCP或UDP。由于TCPport号与UDPport号

无关。

Net/3同意进程指定一下两个插口选项来改变这个默认行为。

SO_REUSEADDR：

SO_REUSEADDR同意启动一个监听server并捆绑其众所周知port。即使曾经建立的将此port用做他们的本地port的连接仍存在。

这一般是重新启动监听server时出现，若不设置此选项，则bind时将出错。

SO_REUSEADDR同意在同一port上启动同一server的多个实例。仅仅要每一个实例捆绑一个不同的本地IP地址就可以。对于TCP，我

们根本不可能启动捆绑同样IP地址和同样port号的多个server。

SO_REUSEADDR同意单个进程捆绑同一port到多个套接口上。仅仅要每一个捆绑指定不同的本地IP地址就可以。这一般不用于TCP服

务器。

SO_REUSEADDR同意全然反复的捆绑：当一个IP地址和port绑定到某个套接口上时，还同意此IP地址和port捆绑到还有一个套接

口上。一般来说，这个特性仅在支持多播的系统上才有。并且仅仅对UDP套接口而言（TCP不支持多播）。

SO_REUSEPORT：

同意进程重用IP地址和port号，可是包括第一个在内的各个IP地址和port号，必须指定这个插口选项。

2.连接一个UDP插口

我们通常把connect系统调用和TCP客户联系起来。可是UDP客户或UDPserver也能够可能调用connect，为插口指定外部IP地址

和外部port号。这就限制插口必须仅仅与某个特定对方交换UDP数据报。

当连接UDP插口时，会有一个副作用：本地IP地址。假设在调用bind是没有指定。会自己主动被connect设置。它被设成由IP选路指定

对方所选择的本地接口地址。

下图显示了UDP插口的三种不同状态，以及函数为终止各状态调用的伪代码。

前三个状态叫做已连接的UDP插口，后两个叫做未连接的UDP插口，两个没有连接上的UDP插口的差别在于，第一个具有

一个全然指定的本地地址，而第二个具有一个通配本地IP地址。

3.分用TCP接收和IP数据报

下图显示了主机上三个Telnetserver的状态。前两个插口处于LISTEN状态，等待进入的连接请求。

第三个连接到IP地址是

140.252.1.11的主机上的port1500。第一个监听插口处理在接口140.252.1.29上到达的连接请求。第二个监听将处理全部

其它接口。

当TCP收到一个目的port是23的报文段时，它调用in_pcblookup，搜索它的整个Internet PCB表。找到一个匹配。它由优先

权。由于它的通配数最少。为了确定通配匹配数，我们仅仅考虑本地和外部IP地址，不考虑外部port号。本地port号必须匹配。

否则我们甚至不考虑PCB。通配数能够是0,1,2。

4.分用UDP接收的IP数据报

UDP数据报的交付比我们刚才研究的TCP样例要复杂得多，由于能够把UDP数据报发送到一个广播或多播地址。Net/3的规则

是：

1)把目的地是广播IP地址或多播IP地址的到达UDP数据报交付给全部匹配的插口。

这里没有最好的匹配的概念。

2)把目的地是单播IP地址的到达UDP数据报仅仅交付给一个匹配的插口，就是具有最小匹配数的插口。假设有多个插口具有同样

最小通配匹配数，那么详细由哪个插口来接收到达数据报依赖与不同的实现。

4.in_pcblookup函数

in_pcblookup函数有几个作用：

1.当TCP或UDP收到一个IP数据报时，in_pcblookup扫描协议的Internet PCB表，寻找一个匹配的PCB，来接收该数据报。

这是运输层对收到的数据报的分用。

2.当进程运行bind系统调用。为某个插口分配一个本地IP地址和本地port号。协议调用in_pcbbind，验证请求的本地地址

对没有被使用。

3.当进程运行bind系统调用，请求给它的插口分配一个暂时port时，内核选了一个暂时port，并调用in_pcbbind检查该端

口是否正在被使用。假设正在被使用。就试下一个port。以此类推。直到找到一个没有被使用的port号。

4.当进程显式或隐式地运行connect系统调用时。in_pcbbind验证请求的插口对是唯一的。

在第2,3,4种情况下，in_pcbbind调用in_pcblookup。

5.in_pcbbind函数

in_pcbbind把一个本地地址和port号绑定到一个插口上。从五个函数中调用它：

1.bind为某个TCP插口调用（通常绑定到server的一个知名port上）

2.bind为某个UDP插口调用（绑定到server的一个知名port上，或者绑定到客户插口的一个暂时port上）

3.connect为某个TCP插口调用。假设该插口还没有绑定到一个非零port上（对TCP客户来说，这是一种典型情况）

4.listen为某个TCP插口调用，假设该插口还没有绑定到一个非零port（这非常少见，由于是TCPserver调用listen。TCPserver

通常绑定到一个知名port上。而不是暂时port）

5.从in_pcbconnect调用。假设本地IP地址和本地port号被置位。

当中1,2为显示绑定。3,4,5为隐式绑定。

6.in_pcbconnect函数

函数in_pcbconnect为插口指定IP地址和外部port号。

有四个函数调用它：

1.connect为某个TCP插口（某个TCP客户的请求）调用。

2.connect为某个UDP插口（对UDP客户是可选的，UDPserver非常少见）调用。

3.当在一个没有连接上的UDP插口上输出数据报时从sendto调用。

4.当一个连接请求（一个SYN报文段）到达一个处于LISTEN状态（对TCPserver是标准的）的TCP插口时。tcp_input调用。

7.in_pcbdisconnect函数

in_pcbdisconnect把UDP插口断连。把外部IP地址设成全0，外部port设成0，就把外部相关内容删除了。

这是在已经在一个未连接的UDP插口上发送一个数据报后。在一个连接上的UDP插口上调用connect时做的。

在第一种情况

下，调用sendto的次序是：UDP调用in_pcbconnect把插口暂时连接到目的地。udp_output发送数据报。然后in_pcbdisconnect

删除暂时连接。

当关闭插口时。不调用in_pcbdisconnect，由于in_pcbdetach处理释放PCB。

仅仅有当一个不同的地址或port号要求重用该PCB

时，才断连。

8.in_pcbnotify、in_rtchange和in_losing函数

当收到一个ICMP差错时。调用in_pcbnotify函数。把差错通知给合适的进程。把差错通知给合适的进程。

通过对全部的PCB

搜索一个协议（TCP或UDP），并把本地和外部IP地址及port号与ICMP差错返回的值进行比較。找到合适的进程。

比如，当

由于一些路由器丢掉了某个TCP报文段而收到ICMP源抑制差错时，TCP必须找到产生该差错的连接的PCB，放慢在该连接

上的传输速度。

下图显示了处理ICMP差错时调用的函数。

当收到一个ICMP报文时。调用icmp_input。icmp的五种报文依照差错来划分：

目的主机不可达

參数问题

重定向

源抑制

超时

每一个协议都定义了它的控制输入函数，即protosw机构中pr_ctlinput。对TCP和UDP，他们各自是tcp_ctlinput和udp_cltinput。

由于收到的ICMP差错中包括了引起差错的数据报的IP首部。全部引起该差错的协议是已知的。这五个ICMP差错中的四个将引起

对协议的控制输入函数的调用。