深入理解TCP协议及其源代码
1.什么是TCP/IP、UDP?
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这些协议之间的关系如下图所示：
2.什么是Socket？
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。
在上图中我们并没有见到Socket，而它具体的位置如下图所示：
3.Socket中TCP的三次握手建立连接
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：
- 客户端向服务器发送一个SYN J
- 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
- 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1
具体三次握手发生在socket的哪些函数中呢？请看下图：
从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。
客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。
4.TCP“三次握手”跟踪
TCP"三次握手"建立连接的过程中服务端会依次调用socket（）、bind（）、listen（）、accept（），客户端会依次调用socket（）、connect（）。
（1）socket（）函数
//__sys_socket函数创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket
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); }
（2）bind（）函数
//用来创建套接字，确定套接字的各种属性，然后服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定起来
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); }
（3）listen（）函数
//用来设置等待连接状态
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); }
（4）connect（）函数
//用来建立连接
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); }
（5）accept（）函数
//接受连接请求
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); }
接下来进行跟踪
首先打开MenuOS
然后打开另外一个终端，输入：
gdb
file ~/LinuxKernel/linux-5.0.1/vmlinux
target remote:1234
然后对“三次握手”过程设置断点
#设置断点
b __sys_socket
b __sys_bind
b __sys_connect
b __sys_listen
b __sys_accept4
#查看断点信息
info breakpoints
按c，在QEMU中输入reply/hi
继续按c，在QEMU中输入hello
再次按c，完成一次通信。如下图所示：
浙公网安备 33010602011771号