TCP/IP详解V2（一）之协议控制块

协议控制块

协议层分成两种，一种是Internet PCB，另一种是TCP PCB，因为UDP协议是无连接协议，所以不存在专用的连接控制信息。
Internet PCB中包含UDP与TCP所有共用信息：外部与本地IP地址，外部与本地的端口，IP首部原型，该端口使用的IP选型以及一个指向该端点的目的地址的路由表信息。
TCP PCB中包含了TCP为连接维护的信息：两个方向的序号，窗口大小，重传次数等的信息。
其中，Internet PCB是一个传输层的数据结构，TCP，UDP和原始IP使用它，但是IP，ICMP等的网络层协议不使用。
整体描述如下：

数据结构

struct inpcb {
	struct	inpcb *inp_next,*inp_prev;    //使用双向链表维护的PCB‘s
	struct	inpcb *inp_head;	    //每个PCB都存在一个指针指向PCB’s双向链表的头部
	struct	in_addr inp_faddr;	    /* foreign host table entry */    //注意：使用网络字节序维护这个四元组
	u_short	inp_fport;		    /* foreign port */
	struct	in_addr inp_laddr;	/* local host table entry */
	u_short	inp_lport;		/* local port */
	struct	socket *inp_socket;	    //指向虚拟文件系统中的socket结构
	caddr_t	inp_ppcb;		//如果存在TCP PCB，就指向它，否则为空
	struct	route inp_route;	//指向一条路由选型
	int	inp_flags;		//维护一些标识信息，基本上使用的很少
	struct	ip inp_ip;		//维护一个IP首部备份，只是用其中的两个成员，TOS和TTL
	struct	mbuf *inp_options;	//维护IP选项
	struct	ip_moptions *inp_moptions;     //维护一个IP多播选项
};

基本操作

创建与销毁

int
in_pcballoc(so, head)
	struct socket *so;
	struct inpcb *head;
{
	register struct inpcb *inp;

	MALLOC(inp, struct inpcb *, sizeof(*inp), M_PCB, M_WAITOK);    //从内核中分配一个inpcb结构
	if (inp == NULL)    //如果分配失败，返回错误
		return (ENOBUFS);
	bzero((caddr_t)inp, sizeof(*inp));    //将新分配的结构初始化为0，其中IP地址与端口号必须要初始化为0
	inp->inp_head = head;    //指向整个PCB‘s的头部
	inp->inp_socket = so;    //指向VFS中的socket结构
	insque(inp, head);    //将这个结构加入到队列中
	so->so_pcb = (caddr_t)inp;    //同时设置socket中的信息指向该PCB
	return (0);
}

int
in_pcbdetach(inp)
	struct inpcb *inp;
{
	struct socket *so = inp->inp_socket;    //从socket中获取PCB结构，并将socket中的结构置为空

	so->so_pcb = 0;
	sofree(so);    //释放socket结构
	if (inp->inp_options)    //释放IP选项
		(void)m_free(inp->inp_options);
	if (inp->inp_route.ro_rt)    //释放路由记录
		rtfree(inp->inp_route.ro_rt);
	ip_freemoptions(inp->inp_moptions);    //释放IP多播选项
	remque(inp);    //从PCB’s的双向链表中移除这个PCB
	FREE(inp, M_PCB);    //彻底的释放这个PCB
}

in_pcblookup：

• 功能A：将IP数据报投递给合适的运输层Internet PCB
• 功能B：执行bind时，验证是否绑定了本地IP与Port

struct inpcb *
in_pcblookup(head, faddr, fport_arg, laddr, lport_arg, flags)
	struct inpcb *head;
	struct in_addr faddr, laddr;
	u_int fport_arg, lport_arg;
	int flags;
{
	register struct inpcb *inp, *match = 0;
	int matchwild = 3, wildcard;
	u_short fport = fport_arg, lport = lport_arg;

	for (inp = head->inp_next; inp != head; inp = inp->inp_next) {    //从Internet PCB的起始位置开始搜索
    		if (inp->inp_lport != lport)    //如果与数据报想要投递的端口不匹配，直接开始下一轮的匹配
			continue;
		wildcard = 0;    //将当前的通配匹配数置0
		if (inp->inp_laddr.s_addr != INADDR_ANY) {    //如果PCB中的本地地址不是通配地址，而数据报中的目标地址是一个通配地址，通配数+1
			if (laddr.s_addr == INADDR_ANY)
				wildcard++;
			else if (inp->inp_laddr.s_addr != laddr.s_addr)    //如果PCB中的本地地址与数据报中的目标地址不匹配，直接开始下一轮的循环
				continue;
		} else {
			if (laddr.s_addr != INADDR_ANY)    //如果PCB中是一个本地通配地址，通配数+1
				wildcard++;
		}
		if (inp->inp_faddr.s_addr != INADDR_ANY) {    //与上述代码相同，判断PCB中的远程地址与数据报的源地址之间的通配关系
			if (faddr.s_addr == INADDR_ANY)
				wildcard++;
			else if (inp->inp_faddr.s_addr != faddr.s_addr ||
			    inp->inp_fport != fport)
				continue;
		} else {
			if (faddr.s_addr != INADDR_ANY)
				wildcard++;
		}
		if (wildcard && (flags & INPLOOKUP_WILDCARD) == 0)    //如果这个PCB存在通配匹配但是不允许通配匹配，开启下一次匹配
			continue;
		if (wildcard < matchwild) {    //记录目前的匹配，寻找通配匹配数最小的匹配，如果存在为0的通配匹配，退出循环，找到了最合适的匹配
			match = inp;
			matchwild = wildcard;
			if (matchwild == 0)
				break;
		}
	}
	return (match);
}

in_pcbbind：

• 功能A：为TCP/UDP绑定本地地址与端口，在没有显式绑定时会进行隐式绑定

int
in_pcbbind(inp, nam)
	register struct inpcb *inp;
	struct mbuf *nam;
{
	register struct socket *so = inp->inp_socket;    //获取VFS中描述的socket
	register struct inpcb *head = inp->inp_head;    //获取整个PCB队列的首部
	register struct sockaddr_in *sin;
	struct proc *p = curproc;		
	u_short lport = 0;
	int wild = 0, reuseport = (so->so_options & SO_REUSEPORT);
	int error;

	if (in_ifaddr == 0)    //全局变量，判断接口是否存在
		return (EADDRNOTAVAIL);
	if (inp->inp_lport || inp->inp_laddr.s_addr != INADDR_ANY)    //如果PCB中已经存在本地地址与本地端口，说明整个PCB已经被绑定，重复出错
		return (EINVAL);
	if ((so->so_options & (SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT)) == 0 &&    //简而言之，TCP允许通配地址的绑定，UDP不允许
	    ((so->so_proto->pr_flags & PR_CONNREQUIRED) == 0 ||
	     (so->so_options & SO_ACCEPTCONN) == 0))
		wild = INPLOOKUP_WILDCARD;
	if (nam) {
		sin = mtod(nam, struct sockaddr_in *);    //mbuf中存在的是PCB想要绑定的地址，但是长度不正确，返回错误
		if (nam->m_len != sizeof (*sin))
			return (EINVAL);
#ifdef notdef
		/*
		 * We should check the family, but old programs
		 * incorrectly fail to initialize it.
		 */
		if (sin->sin_family != AF_INET)    //检查协议域类型
			return (EAFNOSUPPORT);
#endif
		lport = sin->sin_port;
		if (IN_MULTICAST(ntohl(sin->sin_addr.s_addr))) {    //检测绑定的地址是否是一个多播地址
			/*
			 * Treat SO_REUSEADDR as SO_REUSEPORT for multicast;
			 * allow complete duplication of binding if
			 * SO_REUSEPORT is set, or if SO_REUSEADDR is set
			 * and a multicast address is bound on both
			 * new and duplicated sockets.
			 */
			if (so->so_options & SO_REUSEADDR)    //如果是多播地址，置位重用选项
				reuseport = SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT;
		} else if (sin->sin_addr.s_addr != INADDR_ANY) {    //如果本地绑定的不是一个通配地址，判断这个通配地址是由与一个本地接口对应
			sin->sin_port = 0;		/* yech... */
			if (ifa_ifwithaddr((struct sockaddr *)sin) == 0)
				return (EADDRNOTAVAIL);
		}
		if (lport) {    //如果想要绑定一个本地端口
			struct inpcb *t;

			/* GROSS */
			if (ntohs(lport) < IPPORT_RESERVED &&
			    (error = suser(p->p_ucred, &p->p_acflag)))    //如果绑定<1024的端口，判断权限是否正常
				return (error);
			t = in_pcblookup(head, zeroin_addr, 0,
			    sin->sin_addr, lport, wild);    //在PCBs中进行寻找是否已经存在相似的PCB
			if (t && (reuseport & t->inp_socket->so_options) == 0)    //如果存在，并且没有设置REUSE选项，返回错误
				return (EADDRINUSE);
		}
		inp->inp_laddr = sin->sin_addr;    //否则的话，设置PCB中本地IP
	}
	if (lport == 0)
		do {
			if (head->inp_lport++ < IPPORT_RESERVED ||                        //在PCB head中以网络字节序维护着一个下一个使用的端口，找到之后，将这个端口转换为主机字节序
			    head->inp_lport > IPPORT_USERRESERVED)        //然后调整head中的下一个端口的缓存
				head->inp_lport = IPPORT_RESERVED;
			lport = htons(head->inp_lport);
		} while (in_pcblookup(head,
			    zeroin_addr, 0, inp->inp_laddr, lport, wild));
	inp->inp_lport = lport;    //设置了PCB中的端口，就完事了呗
	return (0);
}

in_pcbconnect：

• 功能A：为TCP/UDP绑定远程地址与端口

int
in_pcbconnect(inp, nam)
	register struct inpcb *inp;
	struct mbuf *nam;
{
	struct in_ifaddr *ia;
	struct sockaddr_in *ifaddr;
	register struct sockaddr_in *sin = mtod(nam, struct sockaddr_in *);    //从mbuf中获取远程地址

	if (nam->m_len != sizeof (*sin))    //判断地址长度，协议域以及端口是否正确
		return (EINVAL);
	if (sin->sin_family != AF_INET)
		return (EAFNOSUPPORT);
	if (sin->sin_port == 0)
		return (EADDRNOTAVAIL);
	if (in_ifaddr) {
		/*
		 * If the destination address is INADDR_ANY,
		 * use the primary local address.
		 * If the supplied address is INADDR_BROADCAST,
		 * and the primary interface supports broadcast,
		 * choose the broadcast address for that interface.
		 */
#define	satosin(sa)	((struct sockaddr_in *)(sa))
#define sintosa(sin)	((struct sockaddr *)(sin))
#define ifatoia(ifa)	((struct in_ifaddr *)(ifa))
		if (sin->sin_addr.s_addr == INADDR_ANY)    //如果远程地址是INADDR_ANY，相当于调用进程连接到这个主机上的一个实体
		    sin->sin_addr = IA_SIN(in_ifaddr)->sin_addr;
		else if (sin->sin_addr.s_addr == (u_long)INADDR_BROADCAST &&
		  (in_ifaddr->ia_ifp->if_flags & IFF_BROADCAST))    //如果是多播地址的话，将这个地址转换为接口合适的IP地址
		    sin->sin_addr = satosin(&in_ifaddr->ia_broadaddr)->sin_addr;
	}
	if (inp->inp_laddr.s_addr == INADDR_ANY) {    //如果没有指定本地地址
		register struct route *ro;

		ia = (struct in_ifaddr *)0;
		/* 
		 * If route is known or can be allocated now,
		 * our src addr is taken from the i/f, else punt.
		 */
		ro = &inp->inp_route;
		if (ro->ro_rt &&
		    (satosin(&ro->ro_dst)->sin_addr.s_addr !=
			sin->sin_addr.s_addr || 
		    inp->inp_socket->so_options & SO_DONTROUTE)) {    //如果目前的路由的目标地址与PCB的远程地址不一样，释放路由
			RTFREE(ro->ro_rt);
			ro->ro_rt = (struct rtentry *)0;
		}
		if ((inp->inp_socket->so_options & SO_DONTROUTE) == 0 && /*XXX*/        //如果没有指定SO_DONTROUTE选项，需要重新获取一条指向远程地址的路由选项
		    (ro->ro_rt == (struct rtentry *)0 ||
		    ro->ro_rt->rt_ifp == (struct ifnet *)0)) {
			/* No route yet, so try to acquire one */
			ro->ro_dst.sa_family = AF_INET;
			ro->ro_dst.sa_len = sizeof(struct sockaddr_in);
			((struct sockaddr_in *) &ro->ro_dst)->sin_addr =
				sin->sin_addr;
			rtalloc(ro);
		}
		/*
		 * If we found a route, use the address
		 * corresponding to the outgoing interface
		 * unless it is the loopback (in case a route
		 * to our address on another net goes to loopback).
		 */
		if (ro->ro_rt && !(ro->ro_rt->rt_ifp->if_flags & IFF_LOOPBACK))    //确定外出的接口。这一部分和协议层相关性不大，不重点关注
			ia = ifatoia(ro->ro_rt->rt_ifa);
		if (ia == 0) {
			u_short fport = sin->sin_port;

			sin->sin_port = 0;
			ia = ifatoia(ifa_ifwithdstaddr(sintosa(sin)));
			if (ia == 0)
				ia = ifatoia(ifa_ifwithnet(sintosa(sin)));
			sin->sin_port = fport;
			if (ia == 0)
				ia = in_ifaddr;
			if (ia == 0)
				return (EADDRNOTAVAIL);
		}
		/*
		 * If the destination address is multicast and an outgoing
		 * interface has been set as a multicast option, use the
		 * address of that interface as our source address.
		 */
		if (IN_MULTICAST(ntohl(sin->sin_addr.s_addr)) &&
		    inp->inp_moptions != NULL) {
			struct ip_moptions *imo;
			struct ifnet *ifp;

			imo = inp->inp_moptions;
			if (imo->imo_multicast_ifp != NULL) {
				ifp = imo->imo_multicast_ifp;
				for (ia = in_ifaddr; ia; ia = ia->ia_next)
					if (ia->ia_ifp == ifp)
						break;
				if (ia == 0)
					return (EADDRNOTAVAIL);
			}
		}
		ifaddr = (struct sockaddr_in *)&ia->ia_addr;
	}
	if (in_pcblookup(inp->inp_head,
	    sin->sin_addr,
	    sin->sin_port,
	    inp->inp_laddr.s_addr ? inp->inp_laddr : ifaddr->sin_addr,
	    inp->inp_lport,
	    0))    //如果在PCB head中找到了相同的四元组，返回错误
		return (EADDRINUSE);
	if (inp->inp_laddr.s_addr == INADDR_ANY) {
		if (inp->inp_lport == 0)
			(void)in_pcbbind(inp, (struct mbuf *)0);    //如果本地地址与本地接口没有设置，就是没有经过bind的处理，在这块需要进行处理。比如所UDP协议
		inp->inp_laddr = ifaddr->sin_addr;
	}
	inp->inp_faddr = sin->sin_addr;    //设置完外部地址与外部端口就可以返回了
	inp->inp_fport = sin->sin_port;
	return (0);
}

in_dispcbconnect

• 功能A：将UDP插口断连，把外部端口和外部地址设置为0（INADDR_ANY）。注意：只有当一个PCB被要求重用时才会调用这个函数，比如说UDP的隐式连接断开时。

int
in_pcbdisconnect(inp)
	struct inpcb *inp;
{

	inp->inp_faddr.s_addr = INADDR_ANY;
	inp->inp_fport = 0;
	if (inp->inp_socket->so_state & SS_NOFDREF)    //如果在VFS中已经没有索引了，释放这个PCB结构
		in_pcbdetach(inp);
}

in_setsockaddr和in_setpeeraddr

• 功能A：获取本地地址（getsockname）与远程地址（getpeername）

int
in_setsockaddr(inp, nam)
	register struct inpcb *inp;
	struct mbuf *nam;
{
	register struct sockaddr_in *sin;
	
	nam->m_len = sizeof (*sin);
	sin = mtod(nam, struct sockaddr_in *);
	bzero((caddr_t)sin, sizeof (*sin));
	sin->sin_family = AF_INET;
	sin->sin_len = sizeof(*sin);
	sin->sin_port = inp->inp_lport;
	sin->sin_addr = inp->inp_laddr;
}

int
in_setpeeraddr(inp, nam)
	struct inpcb *inp;
	struct mbuf *nam;
{
	register struct sockaddr_in *sin;
	
	nam->m_len = sizeof (*sin);
	sin = mtod(nam, struct sockaddr_in *);
	bzero((caddr_t)sin, sizeof (*sin));
	sin->sin_family = AF_INET;
	sin->sin_len = sizeof(*sin);
	sin->sin_port = inp->inp_fport;
	sin->sin_addr = inp->inp_faddr;
}

总结

• 问题1：如何判断一个端口正在被使用呢？
  只要存在一个PCB，就把该端口作为PCB的本地端口，就是在使用中。“正在使用中”的概念是相对于绑定协议，即TCP与UCP的端口毫无关联。

• 问题2：BSD允许进程使用以下两个选型来修改默认的行为：

  • SO_REUSEADDR：允许使用进程绑定一个正在使用的端口号，但被绑定的IP地址（包括通配地址）必须没有被绑定到同一个端口。就是对于本地地址与端口的绑定方面，如果设置了这个选项，端口可以一样，但是IP地址（包括通配地址）不能一样。
  • SO_REUSEPORT：允许绑定相同的本地IP地址与端口地址，为支持多播使用。

• 问题3：在外部数据包到达时，UDP如何在协议层确定PCB？
  首先确定本地端口匹配。其次，为了确定匹配数，只考虑本地IP地址与外部IP地址的通配匹配数，数值越低说明匹配度越高。广播与多播数据包不予讨论。

• 问题4：ICMP报文类型以及处理
  ICMP报文可以从大体上分为：
  A：目的主机不可达
  B：参数问题
  C：重定向（特殊的一项，会对PCB中的路由结构进行操作）
  D：源抑制
  E：超时
  总而言之，UDP上收到的ICMP报文不会传递给应用程序，除非在UDP SOCKET上调用connect。