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。
