深入理解TCP协议及其源代码

我选择的问题是：connect及bind、listen、accept背后的三次握手

1.TCP建立连接的三次握手过程

1. 第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn(全称是同步序列编号)报文，syn=i，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认
2. 第二次握手：服务器接收客户端syn报文并确认（ack=i+1），同时向客户端发送一个新的SYN报文（syn=j），即SYN+ACK报文，此时服务器进入SYN_RECV状态
3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文，向服务器发送确认报文ACK(ack=j+1），此报文发送并被客户端接收后，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

2.探究使用Linux Socket api建立TCP连接的过程

 

 从创建socket，到建立连接接收数据，最后关闭socket的过程如上图所示。其中，和建立连接有关系的socket api主要是：connect、bind、listen和accept

为了探究建立连接时发生了什么，和TCP三次握手有什么关系，我们使用之前实验所写的hello/hi程序，用gdb为这四个函数打上断点，并使用wireshark监视相应端口，抓取数据包

当服务端运行bind，listen后，并没有捕获到任何数据包

直到客户端运行connect后，才捕获到TCP三次握手发送的数据包，如下图所示

可以通过抓取的数据包信息看到Socket是如何建立TCP连接的

1. 由客户端（44434端口）发送SYN数据报给服务端（65432端口）,其中seq=0（这里和后面的seq，都是显示的相对seq，实际并不是0）
2. 服务端返回SYN+ACK数据报给客户端，其中ack=1,seq=0
3. 客户端返回ACK数据报，其中ack=1

通过这个实践可以推测，TCP的三次握手是在connect和accept之间完成的，bind和listen只是完成绑定和监听的功能

3.从源码角度分析TCP三次握手的过程

在上一个实验探究Socket底层是如何实现多态机制的时候，我们发现socket结构体中有一个名为ops的结构体指针，结构体中又通过函数指针绑定了具体的底层函数，完成了connect、accept的实现。在struct proto tcp_prot的初始化中我们可以找到对应的绑定函数。

struct proto tcp_prot = {
    .name            = "TCP",
    .owner            = THIS_MODULE,
    .close            = tcp_close,
    .pre_connect    = tcp_v4_pre_connect,
    .connect        = tcp_v4_connect,
    .disconnect        = tcp_disconnect,
    .accept            = inet_csk_accept,

    ...
};

可以看到，socket->ops->connect绑定了函数tcp_v4_connect，socket->ops->accept绑定了inet_csk_accept

对tcp_v4_connect的部分源码分析

...
 
    //设置套接字状态，从CLOSE变为TCP_SYN_SENT，对应客户端从CLOSED->SYN_SENT这一过程
    tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);
    //将套接字sk放入TCP连接管理哈希链表中
    err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);
    if (err)
        goto failure;
 　　//为连接分配一个随机的空闲端口
    err = ip_route_newports(&rt, IPPROTO_TCP,
                inet->inet_sport, inet->inet_dport, sk);
    if (err)
        goto failure;
 
...
    

...
 
if (!tp->write_seq)
        //初始化报文内容
        tp->write_seq = secure_tcp_sequence_number(inet->inet_saddr,
                               inet->inet_daddr,
                               inet->inet_sport,
                               usin->sin_port);
 
    inet->inet_id = tp->write_seq ^ jiffies;
    //构建并发送SYN数据报
    err = tcp_connect(sk);
    rt = NULL;
    if (err)
        goto failure;
 
...

对inet_csk_accept的部分源码分析

在分析代码前我们需要了解,套接字有监听套接字和具体通信的套接字（accept返回的那个）。监听套接字的扩展结构inet_connection_sock中存在icsk_accept_queue成员,此成员中有两个队列,一个用于完全建立连接(完成三次握手)的队列,此队列项中会包含新建的
用于通信的sock结构,在进程不在阻塞获得此sock结构后会把此队列项从完全建立连接的队列删除.此队列的最大长度即是listen(int s, int backlog)中第二个参数指定的；另一个队列是半连接队列,即还没有完成三次握手的队列项会加入到此队列,此队列项中的sock完成三次握手后会从此队列中移除,添加到完全建立连接的队列中

...
//检查套接字是否处于监听状态（应该是在调用listen时设置的）
    error = -EINVAL;
    if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
        goto out_err;
 
    //在监听套接字上的连接队列如果为空（没有任何连接完成）
    if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue)) {
 
        //设置接收超时时间,若调用accept的时候设置了O_NONBLOCK,表示马上返回不阻塞进程
        long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
 
        error = -EAGAIN;
        if (!timeo)//如果是非阻塞模式timeo为0 则马上返回
            goto out_err;
 
        //将进程阻塞,等待连接的完成,inet_csk_wait_for_connect核心是一个循环，等待三次握手中，客户端发来的最后一个ACK报文
        error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
        if (error)
            goto out_err;
    }
 
    //在监听套接字建立连接的队列中删除此request_sock连接项 并返回建立连接的sock
    newsk = reqsk_queue_get_child(&icsk->icsk_accept_queue, sk);
 
    //套接字状态变为TCP_SYN_RECV，对应连接建立完成，服务端进入ESTABLISHED状态
    WARN_ON(newsk->sk_state == TCP_SYN_RECV)

分析这两段代码后，我们对TCP连接的建立已经有了一部分认知，tcp_v4_connect()会发送SYN报文开始三次握手，而inet_csk_accept接收来自客户端的ACK报文，标志着TCP连接建立完成。

三次握手的分析还并不完整，服务器端是如何接收第一次握手发来的SYN数据报，并返回SYN+ACK数据报的？实际上服务器端接收到SYN报文后，最终会调用tcp_v4_do_rcv()进行处理， 和tcp_send_ack()一起返回第二次握手中的SYN+ACK报文，客户端则是使用tcp_send_ack() 返回最后的ACK报文。受限于篇幅，不再对这些函数的源码进行分析