本次实验是在X86 64环境下Ubuntu18.04.3以及Linux5.0以上的内核中进行。通过理论分析、源代码阅读和运行跟踪深入理解TCP协议connect及bind、listen、accept背后的三次握手。
Socket
socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）. 说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。
套接字是通信端点的抽象，其英文socket，即为插座，孔的意思。如果两个机子要通信，中间要通过一条线，这条线的两端要连接通信的双方，这条线在每一台机子上的接入点则为socket，即为插孔，所以在通信前，我们在通信的两端必须要建立好这个插孔，同时为了保证通信的正确，端和端之间的插孔必须要一一对应，这样两端便可以正确的进行通信了，而这个插孔对应到我们实际的操作系统中，就是socket文件，我们再创建它之后，就会得到一个操作系统返回的对于该文件的描述符，然后应用程序可以通过使用套接字描述符访问套接字，向其写入输入，读出数据。
站在更贴近系统的层级去看，两个机器间的通信方式，无非是要通过运输层的TCP/UDP，网络层IP，因此socket本质是编程接口(API)，对TCP/UDP/IP的封装，TCP/UDP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。
socket通信过程：
TCP通信
定义：
客户端
（1）创建客户端 Socket 对象
（2）获取 Socket 的输出流对象
（3）写数据到服务器
（4）获取 Socket 的输入流对象
（5）使用输入流，读取反馈信息
（6） 关闭流资源
服务器端
（1）创建服务器端ServerSocket 对象，指定端口号
（2）开启服务器，等待着客户端Socket对象的连接，如有客户端连接，返回客户端的 Socket对象
（3）通过客户端的 Socket 对象，获取客户端的输入流，为了实现获取客户端发来的数据
（4）通过客户端的输入流，获取流中的数据
（5）通过客户端的 Socket 对象，获取客户端的输出流，为了实现给客户端的信息反馈
（6）通过客户端的输出流，写数据到流中
（7）关闭流资源
实验过程：
运行qemu:进入menu文件夹下，打开MenuOS
make rootfs
此时切不可关闭该终端和QEMU，返回到目录../linux-5.0.1下，打开另一个终端，输入如下命令：
gdb file ./vmlinux target remote:1234
然后根据连接过程的所用到的系统调用函数进行设置断点：
b __sys_socket
b __sys_connect
b __sys_bind
b __sys_listen
b __sys_accept4
info breakpoints
然后根据提示找到socket函数，connect函数，bind函数，listen函数和accept函数。
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);
}
socket函数就是生成一个用于通信的套接字文件描述符sock_map_fd(sock,flags & (O_CLOEXEC | O_NONBOLCK))。这个套接字描述符可以作为稍后bind()函数的绑定对象。
socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。
创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：
- family：即协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
- type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
- protocol：故名思义，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。
当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。
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);
}
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。
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); }
bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。
函数的三个参数分别为：
- fd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
- umyaaddr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同
- addrlen：对应的是地址的长度。
通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。
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); }
服务器在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。
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服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。
accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。
以上五个系统调用函数阐述了TCP协议建立连接的过程。
进一步分析TCP过程，可以通过对tcp_v4_connect，tcp_connect，tcp_transmit_skb，ip_queue_xmit，inet_csk_accept，tcp_v4_rcv，tcp_v4_do_rcv ，tcp_v4_conn_request，tcp_conn_request，tcp_rcv_state_process，tcp_rcv_synsent_state_process，tcp_send_ack，tcp_child_process以及tcp_set_state函数打上断点进行跟踪，找到这些函数源码所在的文件
实验总结：
通过本次实验，我对TCP协议连接过程的三次握手有了更深一步的了解。使用gdb调试代码，更进一步理解系统调用的原理，对Linux内核有了更加深刻的了解。同时也加深了对Linux Socket API的了解。尤其对TCP三次握手过程中socket，connect，bind,listen和accept函数有了更深刻的认识。总而言之，这次实验让我受益匪浅
参考资料：
https://baike.baidu.com/item/TCP/33012?fr=aladdin
https://www.cnblogs.com/cy568searchx/p/4211124.html