Linux4.4.0内核源码分析TCP实现

TCP/IP

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Understanding Linux Kernel

version 4.4.0

TCP Protocol Part

Linux 4.4.0 内核源码分析

TCP 实现

2016 年 7 月 6 日

2.3.5 inet_timewait_sock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.6 sockaddr & sockaddr_in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.7 ip_options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4 路由相关数据结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.1 dst_entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.2 rtable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.3 ﬂowi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5 TCP 层相关数据结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5.1 tcphdr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5.2 tcp_options_received . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.5.3 tcp_sacktag_state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5.4 tcp_sock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5.5 tcp_fastopen_cookie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5.6 tcp_fastopen_request . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5.7 tcp_request_sock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5.8 tcp_skb_cb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 TCP 输出 41

3.1 数据发送接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.1 tcp_sendmsg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.2 tcp_sendmsg_fastopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.1.3 TCP Push 操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2 输出到 IP 层 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.2.1 tcp_write_xmit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.2.2 tcp_transmit_skb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.2.3 tcp_select_window(struct sk_buﬀ *skb) . . . . . . . . . . . . . 54

4 TCP 输入 58

4.1 Linux 内核网络数据接收流程概览 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2 自底向上调用与自顶向下调用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.1 自底向上处理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.2 自顶向下处理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5 TCP 建立连接 77

5.1 TCP 主动打开-客户 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.1.1 基本流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.1.2 第一次握手：构造并发送 SYN 包 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.1.3 第二次握手：接收 SYN+ACK 包 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.1.4 第三次握手: 发送 ACK 包 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.2 TCP 被动打开-服务器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2.1 基本流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2.2 第一次握手：接受 SYN 段 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2.3 第二次握手：发送 SYN+ACK 段 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.2.4 第三次握手：接收 ACK 段 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6 TCP 拥塞控制 113

6.1 拥塞控制实现 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.1.1 拥塞控制状态机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.1.2 显式拥塞通知 (ECN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.1.3 拥塞控制状态的处理及转换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.2 拥塞控制引擎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2.1 接口 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.2.2 CUBIC 拥塞控制算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7 TCP 释放连接 138

7.1 tcp_shutdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

7.2 主动关闭 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.2.1 第一次握手: 发送 FIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.2.2 第二次握手: 接收 ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.2.3 第三次握手: 接受 FIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

7.2.4 第四次握手: 发送 ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

7.2.5 同时关闭 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

7.2.6 TIME_WAIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

7.3 被动关闭 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

7.3.1 基本流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

7.3.2 第一次握手: 接收 FIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

7.3.3 第二次握手: 发送 FIN 的 ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

7.3.4 第三次握手: 发送 FIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

7.3.5 第四次握手: 接收 FIN 的 ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

8 非核心代码分析 161

8.1 BSD Socket 层 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

8.1.1 msg_flag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

8.1.2 数据报类型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

8.1.3 Sock CheckSum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.1.4 SK Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

8.1.5 sk_stream_wait_connect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

8.1.6 pskb_may_pull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.2 Inet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

8.2.1 __inet_stream_connect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

8.2.2 inet_hash_connect && __inet_hash_connect . . . . . . . . . 169

8.2.3 inet_csk_reqsk_queue_add . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

iii

8.2.4 inet_twsk_put . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

8.3 TCP 相关参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

8.3.1 TCP 标志宏 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

8.3.2 函数宏 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

8.4 TCP CheckSum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

8.4.1 tcp_checksum_complete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

8.4.2 tcp_v4_checksum_init . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.5 TCP Initialize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.5.1 TCP Initialize Handle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.6 TCP Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

8.6.1 TCP Options Handle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

8.7 TCP PAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

8.7.1 TCP PAWS Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

8.7.2 tcp_paws_check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

8.7.3 tcp_paws_reject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

8.8 TCP TimeStamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

8.8.1 tcp_store_ts_recent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

8.8.2 tcp_replace_ts_recent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

8.9 TCP ACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

8.9.1 ACK Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

8.9.2 ACK Update . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

8.10 TCP Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

8.10.1 Window Compute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

8.10.2 Window Update . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

8.11 TCP Urgent Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

8.11.1 相应标识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

8.11.2 TCP Urgent Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

8.11.3 TCP Urgent Deal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

8.12 Congestion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

8.12.1 COngestion Control Flag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

8.12.2 Congestion Control Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

8.12.3 Congestion Control Window Undo . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

8.12.4 About Restransmit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

8.13 TCP Finish . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

8.13.1 Time Compute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

8.14 TCP Close . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

8.14.1 TCP Close Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

8.14.2 TCP State Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

8.14.3 tcp_done . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

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