linux内核中tcp连接的断开处理
我们这次主要来分析相关的两个断开函数close和shotdown以及相关的套接口选项SO_LINGER。这里要注意SO_LINGER对shutdown无任何影响。它只对close起作用。
先来坎SO_LINGER所对应的数据结构：
这里对这个套接口选项就不详细介绍了，在unix网络编程中有详细的介绍，我们这里只会分析内核的处理代码。
首先来看close函数，我们知道缺醒情况下,close是立即返回，但是如果套接口的发送缓冲区还有未发送的数据，系统将会试着把这些数据发送给对端。而这个缺醒情况我们是可以通过SO_LINGER来改变的。还有一个要注意就是close调用并不一定会引发tcp的断开连接。因为close只是将这个socket的引用计数减一(主要是针对多个进程)，而真正要直接引发断开，则需要用shutdown函数。
内核中socket的close的系统调用是sock_close，而在sock_close中，直接调用sock_release来实现功能，因此这里我们直接看sock_release的源码：
然后来看inet_release的实现，这个函数主要用来通过SO_LINGER套接字来得到超时时间，然后调用tcp_close来关闭sock。
tcp_close函数比较长我们这里分段来分析它,首先来看第一部分。这里要注意几点：
来看代码：
rfc2525的2.17的介绍：
ok，现在来看上面遇到的3个函数，一个是inet_csk_listen_stop,一个是tcp_close_state,一个是tcp_disconnect.我们一个个来看他们。
首先是inet_csk_listen_stop函数。我们知道这个函数主要用来清理所有的半连接队列。
接下来来看tcp_disconnect函数。这个函数主要用来断开和对端的连接.它会释放读写队列，发送rst，清除定时器等等一系列操作。
紧接着是tcp_close_state函数这个函数就是用来判断是否应该发送fin:
接下来来看tcp_close的剩余部分的代码，剩下的部分就是处理一些状态以及通知这里只有一个要注意的就是TCP_LINGER2这个套接字，这个套接字能够设置等待fin的超时时间，也就是tcp_sock的域linger2.我们知道系统还有一个sysctl_tcp_fin_timeout，也就是提供了一个sys文件系统的接口来修改这个值，不过我们如果设置linger2为一个大于0的值的话，内核就会取linger2这个值。
然后来看send_fin的实现，这个函数用来发送一个fin，并且尽量发送完发送缓冲区中的数据：
接下来来看shutdown的实现。在2.26.31中，系统调用的实现有些变化。
这里我们要知道shutdown会将写缓冲区的数据发出，然后唤醒阻塞的进程，来读取读缓冲区中的数据。
这个系统调用所对应的内核函数就是os_shutdown_socket。
来看inet_shutdown的实现.这个函数的主要工作就是通过判断sock的状态不同来调用相关的函数：
来看tcp_shutdown函数。
这里要注意，当只关闭读的话，并不会引起发送fin，也就是只会设置个标记，然后在读取数据的时候返回错误。而关闭写端，则就会引起发送fin。
最后来看sock_def_readable它就是sk->sk_state_change。也就是用来唤醒阻塞的进程。
可以看到shutdown函数只会处理SEND_SHUTDOWN。并且当调用shutdown之后，读缓冲区，还可以继续读取。
先来坎SO_LINGER所对应的数据结构：
struct linger {
///linger的开关
int l_onoff; /* Linger active */
///所等待的时间。
int l_linger; /* How long to linger for */
};
这里对这个套接口选项就不详细介绍了，在unix网络编程中有详细的介绍，我们这里只会分析内核的处理代码。
首先来看close函数，我们知道缺醒情况下,close是立即返回，但是如果套接口的发送缓冲区还有未发送的数据，系统将会试着把这些数据发送给对端。而这个缺醒情况我们是可以通过SO_LINGER来改变的。还有一个要注意就是close调用并不一定会引发tcp的断开连接。因为close只是将这个socket的引用计数减一(主要是针对多个进程)，而真正要直接引发断开，则需要用shutdown函数。
内核中socket的close的系统调用是sock_close，而在sock_close中，直接调用sock_release来实现功能，因此这里我们直接看sock_release的源码：
void sock_release(struct socket *sock)
{
if (sock->ops) {
struct module *owner = sock->ops->owner;
///调用inet_stream_ops的inet_release函数
sock->ops->release(sock);
///将ops致空。
sock->ops = NULL;
module_put(owner);
}
///这个域貌似是26.31新加的，具体做什么的还不知道。
if (sock->fasync_list)
printk(KERN_ERR "sock_release: fasync list not empty!\n");
///更新全局的socket数目
percpu_sub(sockets_in_use, 1);
if (!sock->file) {
///更新inode的引用计数
iput(SOCK_INODE(sock));
return;
}
sock->file = NULL;
}
然后来看inet_release的实现，这个函数主要用来通过SO_LINGER套接字来得到超时时间，然后调用tcp_close来关闭sock。
int inet_release(struct socket *sock)
{
struct sock *sk = sock->sk;
if (sk) {
long timeout;
/* Applications forget to leave groups before exiting */
ip_mc_drop_socket(sk);
timeout = 0;
///判断是否设置SO_LINGER并且不是处于正在shutdowning，则设置timeout为l_linger(也就是我们设置的值).
if (sock_flag(sk, SOCK_LINGER) &&
!(current->flags & PF_EXITING))
timeout = sk->sk_lingertime;
sock->sk = NULL;
///调用tcp_close.
sk->sk_prot->close(sk, timeout);
}
return 0;
}
tcp_close函数比较长我们这里分段来分析它,首先来看第一部分。这里要注意几点：
| 1 当close掉一个服务端的父socket的时候，内核会先处理半连接队列然后是已经accept了的队列，最后才会处理父sock。 |
| 2 处理接收缓冲区的数据的时候，直接遍历receive_queue(前面blog有介绍)，然后统计未发送的socket。我们知道close是不管接收buf的，也就是他会把接收buf释放掉，然后发送rst给对端的。 |
| 3 当so_linger有设置并且超时时间为0,则发送rst给对端，并且清空发送和接收buf。这个也不会引起最终的四分组终止序列。 |
| 4 当接收缓冲区有未读数据，则直接发送rst给对端。这个也不会引起最终的四分组终止序列。 |
| 5 当so_linger有设置，并且超时不为0,或者so_linger没有设置，此时都会引起最终的四分组终止序列来终止连接。(通过send_fin来发送fin,并引发四分组终止序列).而在send_fin中会发送掉发送缓冲区中的数据。 |
来看代码：
void tcp_close(struct sock *sk, long timeout)
{
struct sk_buff *skb;
int data_was_unread = 0;
int state;
lock_sock(sk);
sk->sk_shutdown = SHUTDOWN_MASK;
///如果处于tcp_listen说明将要关闭的这个socket是一个服务端的主socket。
if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
///设置sock状态.
tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
///这个函数主要用来清理半连接队列(下面会简要分析这个函数)
/* Special case. */
inet_csk_listen_stop(sk);
///处理要关闭的sock
goto adjudge_to_death;
}
///遍历sk_receive_queue也就是输入buf队列。然后统计还没有读取的数据。
while ((skb = __skb_dequeue(&sk->sk_receive_queue)) != NULL) {
u32 len = TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq -
tcp_hdr(skb)->fin;
data_was_unread += len;
///free这个skb
__kfree_skb(skb);
}
sk_mem_reclaim(sk);
///第一个if主要是实现了rfc2525的2.17,也就是关闭的时候，如果接收buf中有未读数据，则发送一个rst给对端。(下面有摘抄相关内容)
if (data_was_unread) {
/* Unread data was tossed, zap the connection. */
NET_INC_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONCLOSE);
///设置状态
tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
///发送rst
tcp_send_active_reset(sk, GFP_KERNEL);
}
///第二个if主要是判断so_linger套接字,并且超时时间为0。此时我们就直接丢掉所有的发送缓冲区中的数据
else if (sock_flag(sk, SOCK_LINGER) && !sk->sk_lingertime) {
/* Check zero linger _after_ checking for unread data. */
///调用tcp_disconnect，这个函数主要用来断开和对端的连接，这个函数下面会介绍。
sk->sk_prot->disconnect(sk, 0);
NET_INC_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
}
///这个函数主要用来判断是否需要发送fin，也就是判断状态。下面我会详细介绍这个函数。
else if (tcp_close_state(sk)) {
///发送fin.
tcp_send_fin(sk);
}
///等待一段时间。这里的timeout，如果有设置so_linger的话就是l_linger.这里主要是等待发送缓冲区的buf发送(如果超时时间不为0).
sk_stream_wait_close(sk, timeout);
........................
}
rfc2525的2.17的介绍：
When an application closes a connection in such a way that it can no longer read any received data, the TCP SHOULD, per section 4.2.2.13 of RFC 1122, send a RST if there is any unread received data, or if any new data is received. A TCP that fails to do so exhibits "Failure to RST on close with data pending".
ok，现在来看上面遇到的3个函数，一个是inet_csk_listen_stop,一个是tcp_close_state,一个是tcp_disconnect.我们一个个来看他们。
首先是inet_csk_listen_stop函数。我们知道这个函数主要用来清理所有的半连接队列。
void inet_csk_listen_stop(struct sock *sk)
{
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
struct request_sock *acc_req;
struct request_sock *req;
///首先删除keepalive定时器。
inet_csk_delete_keepalive_timer(sk);
/* make all the listen_opt local to us */
///得到accept 队列。
acc_req = reqsk_queue_yank_acceptq(&icsk->icsk_accept_queue);
///然后销毁掉所有的半连接队列，也就是listen_sock队列
reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);
///遍历accept队列断开与对端的连接。
while ((req = acc_req) != NULL) {
...............................................
///调用tcp_disconnect来断开与对端的连接。这里注意是非阻塞的。
sk->sk_prot->disconnect(child, O_NONBLOCK);
sock_orphan(child);
percpu_counter_inc(sk->sk_prot->orphan_count);
///销毁这个sock。
inet_csk_destroy_sock(child);
........................................
}
WARN_ON(sk->sk_ack_backlog);
}
接下来来看tcp_disconnect函数。这个函数主要用来断开和对端的连接.它会释放读写队列，发送rst，清除定时器等等一系列操作。
int tcp_disconnect(struct sock *sk, int flags)
{
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
int err = 0;
int old_state = sk->sk_state;
if (old_state != TCP_CLOSE)
tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
...................
///清除定时器，重传，delack等。
tcp_clear_xmit_timers(sk);
///直接free掉接收buf。
__skb_queue_purge(&sk->sk_receive_queue);
///free掉写buf。
tcp_write_queue_purge(sk);
__skb_queue_purge(&tp->out_of_order_queue);
#ifdef CONFIG_NET_DMA
__skb_queue_purge(&sk->sk_async_wait_queue);
#endif
inet->dport = 0;
if (!(sk->sk_userlocks & SOCK_BINDADDR_LOCK))
inet_reset_saddr(sk);
..........................................
///设置状态。
tcp_set_ca_state(sk, TCP_CA_Open);
///清理掉重传的一些标记
tcp_clear_retrans(tp);
inet_csk_delack_init(sk);
tcp_init_send_head(sk);
memset(&tp->rx_opt, 0, sizeof(tp->rx_opt));
__sk_dst_reset(sk);
WARN_ON(inet->num && !icsk->icsk_bind_hash);
sk->sk_error_report(sk);
return err;
}
紧接着是tcp_close_state函数这个函数就是用来判断是否应该发送fin:
///这个数组表示了当close后，tcp的状态变化，可以看到注释很清楚，包含了3部分。这里也就是通过current也就是tcp的状态取得new state也就是close的状态，然后再和TCP_ACTION_FIN按位于，得到action
static const unsigned char new_state[16] = {
/* current state: new state: action: */
/* (Invalid) */ TCP_CLOSE,
/* TCP_ESTABLISHED */ TCP_FIN_WAIT1 | TCP_ACTION_FIN,
/* TCP_SYN_SENT */ TCP_CLOSE,
/* TCP_SYN_RECV */ TCP_FIN_WAIT1 | TCP_ACTION_FIN,
/* TCP_FIN_WAIT1 */ TCP_FIN_WAIT1,
/* TCP_FIN_WAIT2 */ TCP_FIN_WAIT2,
/* TCP_TIME_WAIT */ TCP_CLOSE,
/* TCP_CLOSE */ TCP_CLOSE,
/* TCP_CLOSE_WAIT */ TCP_LAST_ACK | TCP_ACTION_FIN,
/* TCP_LAST_ACK */ TCP_LAST_ACK,
/* TCP_LISTEN */ TCP_CLOSE,
/* TCP_CLOSING */ TCP_CLOSING,
};
static int tcp_close_state(struct sock *sk)
{
///取得new state
int next = (int)new_state[sk->sk_state];
int ns = next & TCP_STATE_MASK;
tcp_set_state(sk, ns);
///得到action
return next & TCP_ACTION_FIN;
}
接下来来看tcp_close的剩余部分的代码，剩下的部分就是处理一些状态以及通知这里只有一个要注意的就是TCP_LINGER2这个套接字，这个套接字能够设置等待fin的超时时间，也就是tcp_sock的域linger2.我们知道系统还有一个sysctl_tcp_fin_timeout，也就是提供了一个sys文件系统的接口来修改这个值，不过我们如果设置linger2为一个大于0的值的话，内核就会取linger2这个值。
adjudge_to_death:
///得到sock的状态。
state = sk->sk_state;
sock_hold(sk);
sock_orphan(sk);
///唤醒阻塞在这个sock的队列(前面有详细介绍这个函数)
release_sock(sk);
local_bh_disable();
bh_lock_sock(sk);
WARN_ON(sock_owned_by_user(sk));
///全局的cpu变量引用计数减一。
percpu_counter_inc(sk->sk_prot->orphan_count);
/* Have we already been destroyed by a softirq or backlog? */
if (state != TCP_CLOSE && sk->sk_state == TCP_CLOSE)
goto out;
///如果状态为TCP_FIN_WAIT2,说明接收了ack，在等待对端的fin。
if (sk->sk_state == TCP_FIN_WAIT2) {
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
///超时时间小于0,则说明马上超时，设置状态为tcp_close,然后发送rst给对端。
if (tp->linger2 < 0) {
tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
tcp_send_active_reset(sk, GFP_ATOMIC);
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk),
LINUX_MIB_TCPABORTONLINGER);
} else {
///得到等待fin的超时时间。这里主要也就是在linger2和sysctl_tcp_fin_timeout中来取得。
const int tmo = tcp_fin_time(sk);
///如果超时时间太长，则启动keepalive定时器发送探测报。
if (tmo > TCP_TIMEWAIT_LEN) {
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk,
tmo - TCP_TIMEWAIT_LEN);
} else {
///否则进入time_wait状态。
tcp_time_wait(sk, TCP_FIN_WAIT2, tmo);
goto out;
}
}
}
......................................
///如果sk的状态为tcp_close则destroy掉这个sk
if (sk->sk_state == TCP_CLOSE)
inet_csk_destroy_sock(sk);
/* Otherwise, socket is reprieved until protocol close. */
out:
bh_unlock_sock(sk);
local_bh_enable();
sock_put(sk);
}
然后来看send_fin的实现，这个函数用来发送一个fin，并且尽量发送完发送缓冲区中的数据：
void tcp_send_fin(struct sock *sk)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
///取得写bufer的尾部。
struct sk_buff *skb = tcp_write_queue_tail(sk);
int mss_now;
/* Optimization, tack on the FIN if we have a queue of
* unsent frames. But be careful about outgoing SACKS
* and IP options.
*/
mss_now = tcp_current_mss(sk);
///如果发送队列不为空，此时我们只需要设置sk buffer的标记位(也就是tcp报文的控制位为fin)，可以看到我们是加到写buffer的尾部，这里是为了能尽量将写buffer中的数据全部传出)
if (tcp_send_head(sk) != NULL) {
TCP_SKB_CB(skb)->flags |= TCPCB_FLAG_FIN;
TCP_SKB_CB(skb)->end_seq++;
tp->write_seq++;
} else {
..................................
///到这里标明发送缓冲区位空，因此我们需要新建一个sk buffer，然后设置标记位，并加入到写buffer。
skb_reserve(skb, MAX_TCP_HEADER);
/* FIN eats a sequence byte, write_seq advanced by tcp_queue_skb(). */
tcp_init_nondata_skb(skb, tp->write_seq,
TCPCB_FLAG_ACK | TCPCB_FLAG_FIN);
tcp_queue_skb(sk, skb);
}
///发送写缓冲区中的数据。
__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_OFF);
}
void __tcp_push_pending_frames(struct sock *sk, unsigned int cur_mss,
int nonagle)
{
struct sk_buff *skb = tcp_send_head(sk);
if (!skb)
return;
/* If we are closed, the bytes will have to remain here.
* In time closedown will finish, we empty the write queue and
* all will be happy.
*/
if (unlikely(sk->sk_state == TCP_CLOSE))
return;
///发送数据，这里关闭了nagle。也就是立即将数据全部发送出去(我前面的blog有详细解释这个函数).
if (tcp_write_xmit(sk, cur_mss, nonagle, 0, GFP_ATOMIC))
tcp_check_probe_timer(sk);
}
接下来来看shutdown的实现。在2.26.31中，系统调用的实现有些变化。
这里我们要知道shutdown会将写缓冲区的数据发出，然后唤醒阻塞的进程，来读取读缓冲区中的数据。
这个系统调用所对应的内核函数就是os_shutdown_socket。
#define SHUT_RD 0
#define SHUT_WR 1
#define SHUT_RDWR 2
int os_shutdown_socket(int fd, int r, int w)
{
int what, err;
if (r && w)
what = SHUT_RDWR;
else if (r)
what = SHUT_RD;
else if (w)
what = SHUT_WR;
else
return -EINVAL;
///调用socket的shutdown也就是kernel_sock_shutdown
err = shutdown(fd, what);
if (err < 0)
return -errno;
return 0;
}
int kernel_sock_shutdown(struct socket *sock, enum sock_shutdown_cmd how)
{
///他最终会调用inet_shutdown
return sock->ops->shutdown(sock, how);
}
来看inet_shutdown的实现.这个函数的主要工作就是通过判断sock的状态不同来调用相关的函数：
int inet_shutdown(struct socket *sock, int how)
{
struct sock *sk = sock->sk;
int err = 0;
/* This should really check to make sure
* the socket is a TCP socket. (WHY AC...)
*/
///这里要注意每个how都是加1的，这说明在内核里读写是为1,2,3
how++; /* maps 0->1 has the advantage of making bit 1 rcvs and
1->2 bit 2 snds.
2->3 */
///判断how的合法性。
if ((how & ~SHUTDOWN_MASK) || !how) /* MAXINT->0 */
return -EINVAL;
///锁住sock
lock_sock(sk);
///SS_CONNECTING说明这个sock的连接正在处理中。state域表示socket当前的内部状态
if (sock->state == SS_CONNECTING) {
///如果状态为这几个状态，说明是处于半连接处理阶段，此时设置状态为SS_DISCONNECTING
if ((1 << sk->sk_state) &
(TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV | TCPF_CLOSE))
sock->state = SS_DISCONNECTING;
else
///否则设置为连接完毕
sock->state = SS_CONNECTED;
}
///除过TCP_LISTEN以及TCP_SYN_SENT状态外的其他状态最终都会进入sk->sk_prot->shutdown也就是tcp_shutdown函数。
switch (sk->sk_state) {
///如果状态为tco_close则设置错误号，然后进入default处理
case TCP_CLOSE:
err = -ENOTCONN;
/* Hack to wake up other listeners, who can poll for
POLLHUP, even on eg. unconnected UDP sockets -- RR */
default:
sk->sk_shutdown |= how;
if (sk->sk_prot->shutdown)
sk->sk_prot->shutdown(sk, how);
break;
/* Remaining two branches are temporary solution for missing
* close() in multithreaded environment. It is _not_ a good idea,
* but we have no choice until close() is repaired at VFS level.
*/
case TCP_LISTEN:
///如果不为SHUT_RD则跳出switch，否则进入tcp_syn_sent的处理。
if (!(how & RCV_SHUTDOWN))
break;
/* Fall through */
case TCP_SYN_SENT:
///断开连接，然后设置state
err = sk->sk_prot->disconnect(sk, O_NONBLOCK);
sock->state = err ? SS_DISCONNECTING : SS_UNCONNECTED;
break;
}
/* Wake up anyone sleeping in poll. */
///唤醒阻塞在这个socket上的进程，这里是为了将读缓冲区的数据尽量读完。
sk->sk_state_change(sk);
release_sock(sk);
return err;
}
来看tcp_shutdown函数。
这里要注意，当只关闭读的话，并不会引起发送fin，也就是只会设置个标记，然后在读取数据的时候返回错误。而关闭写端，则就会引起发送fin。
void tcp_shutdown(struct sock *sk, int how)
{
/* We need to grab some memory, and put together a FIN,
* and then put it into the queue to be sent.
* Tim MacKenzie(tym@dibbler.cs.monash.edu.au) 4 Dec '92.
*/
///如果为SHUT_RD则直接返回。
if (!(how & SEND_SHUTDOWN))
return;
/* If we've already sent a FIN, or it's a closed state, skip this. */
///这里英文注释很详细我就不多解释了。
if ((1 << sk->sk_state) &
(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_SYN_SENT |
TCPF_SYN_RECV | TCPF_CLOSE_WAIT)) {
/* Clear out any half completed packets. FIN if needed. */
///和tcp_close那边处理一样
if (tcp_close_state(sk))
tcp_send_fin(sk);
}
}
最后来看sock_def_readable它就是sk->sk_state_change。也就是用来唤醒阻塞的进程。
static void sock_def_readable(struct sock *sk, int len)
{
read_lock(&sk->sk_callback_lock);
///判断是否有进程在等待这个sk
if (sk_has_sleeper(sk))
///有的话，唤醒进程，这里可以看到递交给上层的是POLLIN,也就是读事件。
wake_up_interruptible_sync_poll(sk->sk_sleep, POLLIN |
POLLRDNORM | POLLRDBAND);
///这里异步唤醒，可以看到这里也是POLL_IN.
sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_WAITD, POLL_IN);
read_unlock(&sk->sk_callback_lock);
}
可以看到shutdown函数只会处理SEND_SHUTDOWN。并且当调用shutdown之后，读缓冲区，还可以继续读取。