深入理解TCP协议及其源代码

TCP/IP协议分层模型

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　　可以看到，TCP协议位于运输层，TCP将用户数据打包构成报文段，它发送数据时启动一个定时器，另一端收到数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复的数据。TCP提供一种面向连接的可靠的字节流服务，面向连接意味着两个使用TCP的应用（B/S）在彼此交换数据之前，必须先建立一个TCP连接，类似于打电话过程，先拨号振铃，等待对方说喂，然后应答。在一个TCP连接中，只有两方彼此通信。

　　TCP可靠性来自于：

　　（1）应用数据被分成TCP最合适的发送数据块
　　（2）当TCP发送一个段之后，启动一个定时器，等待目的点确认收到报文，如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文。
　　（3）当TCP收到连接端发来的数据，就会推迟几分之一秒发送一个确认。
　　（4）TCP将保持它首部和数据的检验和，这是一个端对端的检验和，目的在于检测数据在传输过程中是否发生变化。（有错误，就不确认，发送端就会重发）
　　（5）TCP是以IP报文来传送，IP数据是无序的，TCP收到所有数据后进行排序，再交给应用层
　　（6）IP数据报会重复，所以TCP会去重
　　（7）TCP能提供流量控制，TCP连接的每一个地方都有固定的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送缓存区能接纳的数据。
　　（8）TCP对字节流不做任何解释，对字节流的解释由TCP连接的双方应用层解释。

TCP报文结构

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• 源端口和目的端口：各占2个字节，分别写入源端口号和目的端口号。
• 序号：占4个字节。序号使用mod运算。TCP是面向字节流的，在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。故该字段也叫做“报文段序号”。
• 确认序号：占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认序号=N,则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
• 数据偏移：占4位，表示TCP报文段的首部长度。注意，“数据偏移”的单位是32位字（即以4字节长的字为计算单位）。故TCP首部的最大长度为60字节。
• 保留：占6位，保留为今后使用，目前置为0；
• 紧急URG：当URG=1，表明紧急指针字段有效。这时发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。
• 确认ACK：当ACK=1时，确认字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。
• 推送PSH：接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。
• 复位RST：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
• 同步SYN：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。故SYN置为1，就表示这是一个连接请求和连接接收报文。
• 终止FIN：用来释放连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。
• 窗口：占2个字节。窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。
• 检验和：占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP数据报一样，在计算检验和时，也要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式与UDP用户数据报的伪首部一样，但要将伪首部第四个字段中的17 改为6（协议号），把第5字段中的UDP长度改为TCP长度。
• 紧急指针：占2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。

 

 

三次握手过程

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　　首先，客户端开始的时候，首先创建sock文件描述符，接着就进行connect发起连接服务器请求，阻塞等待服务器应答。

　　接着，服务器开始的时候，分配一个listen_sock文件描述符，接着进行bind绑定，绑定完毕之后进行listen监听，最后进行accept，此时阻塞等待客户端的连接。连接建立accept返回之后，分配一个新的文件描述符与客户端通信。

　　第一次握手：Client先产生一个初始序列号seq：8000，SYN标志位置1，将该数据包发送给Server端，之后Client端进入SYN_SENT状态，等待Client确认。

　　第二次握手：Server收到数据包后也发送自己的SYN报文作为响应，并初始化序列号seq=15000，为了确认Client的seq，Server将Client发送的seq加1作为ACK发送给Client，Server进入SYN_RCVD状态。

　　第三次握手：为了确认Server的SYN，Client将Server发送的seq加1作为ACK发送给Server。Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

　　通过这样的三次握手，客户端和服务端建立起可靠的全双工的连接，开始传送数据。三次握手的最主要目的是保证连接是全双工的，可靠更多的是通过重传机制来保证的。

 

TCP"三次握手"过程分析

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　　TCP"三次握手"建立连接的过程中服务端会依次调用socket()、bind()、listen()、accept()，客户端会依次调用socket()、connect()。接下来先来对三次握手过程中涉及到的这几个函数调用的源码来进行下分析。

1.socket()函数

　　在 Linux 下使用 头文件中 socket() 函数来创建套接字，原型为：

int socket(int af, int type, int protocol);

　（1）af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。

　（2）type 为数据传输方式/套接字类型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字） 和 SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字）。

　（3）protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

int __sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
        int retval;
        struct socket *sock;
        int flags;

        /* Check the SOCK_* constants for consistency.  */
        BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
        BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK);
        BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK);
        BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK);

        flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
        if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
                return -EINVAL;
        type &= SOCK_TYPE_MASK;

        if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
                flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

        retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
        if (retval < 0)
                return retval;

        return sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
}

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
        return __sys_socket(family, type, protocol);
}

2.bind()函数

　　socket() 函数用来创建套接字，确定套接字的各种属性，然后服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定起来，只有这样，流经该 IP 地址和端口的数据才能交给套接字处理。类似地，客户端也要用 connect() 函数建立连接。 在linux下bind() 函数的原型为：

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

其中sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

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

        sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
        if (sock) {
                err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, &address);
                if (!err) {
                        err = security_socket_bind(sock,
                                                   (struct sockaddr *)&address,
                                                   addrlen);
                        if (!err)
                                err = sock->ops->bind(sock,
                                                      (struct sockaddr *)
                                                      &address, addrlen);
                }
                fput_light(sock->file, fput_needed);
        }
        return err;
}

SYSCALL_DEFINE3(bind, int, fd, struct sockaddr __user *, umyaddr, int, addrlen)
{
        return __sys_bind(fd, umyaddr, addrlen);
}

3.listen()函数

 　　对于服务器端程序，使用 bind() 绑定套接字后，还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态，再调用 accept() 函数，就可以随时响应客户端的请求了。

　　通过 listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态，它的原型为：

int listen(int sock, int backlog);

　　其中，sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。
　　所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

int __sys_listen(int fd, int backlog)
{
        struct socket *sock;
        int err, fput_needed;
        int somaxconn;

        sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
        if (sock) {
                somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
                if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
                        backlog = somaxconn;

                err = security_socket_listen(sock, backlog);
                if (!err)
                        err = sock->ops->listen(sock, backlog);

                fput_light(sock->file, fput_needed);
        }
        return err;
}

SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
{
        return __sys_listen(fd, backlog);
}

4.connect()函数

　　connect() 函数用来建立连接，它的原型为：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

　　其中sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

int __sys_connect(int fd, struct sockaddr __user *uservaddr, int addrlen)
{
        struct socket *sock;
        struct sockaddr_storage address;
        int err, fput_needed;

        sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
        if (!sock)
                goto out;
        err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, &address);
        if (err < 0)
                goto out_put;

        err =
            security_socket_connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen);
        if (err)
                goto out_put;

        err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
                                 sock->file->f_flags);
out_put:
        fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
        return err;
}

SYSCALL_DEFINE3(connect, int, fd, struct sockaddr __user *, uservaddr,
                int, addrlen)
{
        return __sys_connect(fd, uservaddr, addrlen);
}

5.accept()函数

　　当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。它的原型为： 

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

　　它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。

　　accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。

int __sys_accept4(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;

        if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
                return -EINVAL;

        if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
                flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

        sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
        if (!sock)
                goto out;

        err = -ENFILE;
        newsock = sock_alloc();
        if (!newsock)
                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);

        newfd = get_unused_fd_flags(flags);
        if (unlikely(newfd < 0)) {
                err = newfd;
                sock_release(newsock);
                goto out_put;
        }
        newfile = sock_alloc_file(newsock, flags, sock->sk->sk_prot_creator->name);
        if (IS_ERR(newfile)) {
                err = PTR_ERR(newfile);
                put_unused_fd(newfd);
                goto out_put;
        }

        err = security_socket_accept(sock, newsock);
        if (err)
                goto out_fd;

        err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags, false);
        if (err < 0)
                goto out_fd;

           if (upeer_sockaddr) {
                len = newsock->ops->getname(newsock,
                                        (struct sockaddr *)&address, 2);
                if (len < 0) {
                        err = -ECONNABORTED;
                        goto out_fd;
                }
                err = move_addr_to_user(&address,
                                        len, upeer_sockaddr, upeer_addrlen);
                if (err < 0)
                        goto out_fd;
        }

        /* File flags are not inherited via accept() unlike another OSes. */

        fd_install(newfd, newfile);
        err = newfd;

out_put:
        fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
        return err;
out_fd:
        fput(newfile);
         put_unused_fd(newfd);
        goto out_put;
}

SYSCALL_DEFINE4(accept4, int, fd, struct sockaddr __user *, upeer_sockaddr,
                int __user *, upeer_addrlen, int, flags)
{
        return __sys_accept4(fd, upeer_sockaddr, upeer_addrlen, flags);
}

SYSCALL_DEFINE3(accept, int, fd, struct sockaddr __user *, upeer_sockaddr,
                int __user *, upeer_addrlen)
{
        return __sys_accept4(fd, upeer_sockaddr, upeer_addrlen, 0);
}

TCP相关源码深度分析及GDB跟踪调试

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首先进入linuxnet目录下，打开MenuOs

cd LinuxKernel
cd linuxnet
qemu-system-x86_64 -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd rootfs.img -append "root=/dev/sda init=/init nokaslr" -s -S

打开一个新的终端

gdb
file ~/LinuxKernel/linux-5.0.1/vmlinux
target remote:1234

对“三次握手"过程中涉及到的几个系统调用设置断点

#设置断点
b __sys_socket
b __sys_bind 
b __sys_connect
b __sys_listen
b __sys_accept4
#查看断点信息
info breakpoints

 

 

 继续按c，至此，完成了一次通信过程

 

 

 

 

可以看到，TCP“三次握手”过程中依次涉及到的系统调用有socket、bind、listen、connect、accept。服务端调用socket（）、bind（）、listen（）完成初始化后，调用accept（）阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket（）初始化后，调用connect（）发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect（）返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept（）返回。