(2) linux 3.x - client - TCP连接建立系列 — 客户端的端口选取和重用


http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/47374373


主要内容：connect()时的端口选取和端口重用。

内核版本：3.15.2

我的博客：http://blog.csdn.net/zhangskd

 

端口选取

 

connect()时本地端口是如何选取的呢？ 

如果用户已经绑定了端口，就使用绑定的端口。

如果用户没有绑定端口，则让系统自动选取，策略如下：

1. 获取端口的取值区间，以及区间内端口的个数。

2. 根据初始偏移量，从端口区间内的某个端口开始，遍历整个区间。

     2.1 如果端口是保留的，直接跳过。

     2.2 如果端口已经被使用了。

            2.2.1 不允许复用已经被bind()的端口。

            2.2.2 检查端口是否能被重用，可以的话就重用此端口。

    2.3 如果端口没有被使用过，就选择此端口。

 

当没有端口可用时，会报如下错误：

-EADDRNOTAVAIL /* Cannot assign requested address */

包含两种场景：

1. 端口区间内没有未使用过的端口，且正在使用的端口都不允许复用。

2. 内存不够，无法创建端口的存储结构。

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  1. /* Bind a port for a connect operation and hash it. */  
  2. int inet_hash_connect (struct inet_timewait_death_row *death_row, struct sock *sk)  
  3. {  
  4.     return __inet_hash_connect(death_row, sk, inet_sk_port_offset(sk),   
  5.         __inet_check_established, __inet_hash_nolisten);  
  6. }  

inet_hash_connect()参数的含义如下：

death_row：TIME_WAIT socket的管理结构。

inet_sk_port_offset()：根据源IP、目的IP、目的端口，采用MD5计算出一个随机数，作为端口的初始偏移值。

__inet_check_established()：判断正在使用中的端口是否允许重用。

__inet_hash_nolisten()：根据四元组，计算sk在ehash哈希表中的索引，把sk链入ehash哈希表。

 

[java] view plain copy
  1. int __inet_hash_connect (struct inet_timewait_death_row *death_row,   
  2.     struct sock *sk, u32 port_offset,  
  3.     int (*check_established)(struct inet_timewait_death_row *, struct sock *,  
  4.          __u16, struct inet_timewait_sock **),  
  5.     int (*hash)(struct sock *sk, struct inet_timewait_sock *twp))  
  6. {  
  7.     struct inet_hashinfo *hinfo = death_row->hashinfo; /* tcp_hashinfo */  
  8.     const unsigned short snum = inet_sk(sk)->inet_num; /* 本端端口 */  
  9.     struct inet_bind_hashbucket *head;  
  10.     struct inet_bind_bucket *tb;  
  11.     int ret;  
  12.     struct net *net = sock_net(sk);  
  13.     int twrefcnt = 1;  
  14.   
  15.     /* snum为0时，表示用户没有绑定端口，默认让系统自动选取端口 */  
  16.     if (! snum) {  
  17.         int i, remaining, low, high, port;  
  18.         static u32 hint; /* 用于保存上次查找的位置 */  
  19.         u32 offset = hint + port_offset;  
  20.         struct inet_timewait_sock *tw = NULL;  
  21.           
  22.         /* 系统自动分配时，获取端口号的取值范围 */  
  23.         inet_get_local_port_range(net, &low, &high);  
  24.         remaining = (high - low) + 1; /* 取值范围内端口号的个数 */  
  25.    
  26.         local_bh_disable();  
  27.         for (i = 1; i <= remaining; i++) {  
  28.             /* 根据MD5计算得到的port_offset值，以及hint，获取范围内的一个端口 */  
  29.             port = low + (i + offset) % remaining;   
  30.    
  31.             /* 如果此端口号属于保留的，那么直接跳过 */  
  32.             if (inet_is_reserved_local_port(port))  
  33.                 continue;  
  34.   
  35.             /* 根据端口号，找到所在的哈希桶 */  
  36.             head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, port, hinfo->bhash_size)];  
  37.             spin_lock(&head->lock); /* 锁住此哈希桶 */  
  38.   
  39.             /* 从头遍历哈希桶 */  
  40.             inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain) {  
  41.                 /* 如果此端口已经被使用了 */  
  42.                 if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == port) {  
  43.   
  44.                     /* 不允许使用已经被bind()绑定的端口，无论此端口是否能够被复用 */  
  45.                     if (tb->fastreuse >= 0 || tb->fastreuseport >= 0)  
  46.                         goto next_port;  
  47.   
  48.                     WARN_ON(hlist_empty(&tb->owners));  
  49.   
  50.                    /* 检查端口是否允许重用 */  
  51.                     if (! check_established(death_row, sk, port, &tw))  
  52.                         goto ok; /* 成功，该端口可以被重复使用 */  
  53.                     goto next_port; /* 失败 */  
  54.                 }  
  55.             }  
  56.    
  57.             /* 走到这里，表示该端口尚未被使用。 
  58.              * 创建一个inet_bind_bucket实例，并把它加入到哈希桶中。 
  59.              */  
  60.             tb = inet_bind_bucket_create(hinfo->bind_bucket, cachep, net, head, port);  
  61.   
  62.             /* 如果内存不够，则退出端口选择。 
  63.              * 会导致connect()失败，返回-EADDRNOTAVAIL。 
  64.              */  
  65.             if (! tb) {  
  66.                 spin_unlock(&head->lock);  
  67.                 break;  
  68.             }  
  69.    
  70.             tb->fastreuse = -1;  
  71.             tb->fastreuseport = -1;  
  72.             goto ok;  
  73.    
  74.             next_port:  
  75.                 spin_unlock(&head->lock);  
  76.         } /* end of for */  
  77.   
  78.         local_bh_enable();  
  79.    
  80.         /* 有两种可能：内存不够、端口区间内的端口号用光 */  
  81.         return -EADDRNOTAVAIL; /* Cannot assign requested address */  
  82.   
  83.  ok:  
  84.         hint += i; /* 下一次connect()时，查找端口增加了这段偏移 */  
  85.    
  86.         /* Head lock still held and bh's disabled. 
  87.          * 把tb赋值给icsk->icsk_bind_hash，更新inet->inet_num，把sock链入tb->owners哈希链中。 
  88.          * 更新该端口的绑定次数，系统总的端口绑定次数。 
  89.          */  
  90.         inet_bind_hash(sk, tb, port);  
  91.    
  92.         /* 如果sk尚未链入ehash哈希表中 */  
  93.         if (sk_unhashed(sk)) {  
  94.             inet_sk(sk)->inet_sport = htons(port); /* 保存本地端口 */  
  95.             twrefcnt += hash(sk, tw); /* 把sk链入到ehash哈希表中，把tw从ehash表中删除 */  
  96.         }  
  97.   
  98.         if (tw)  
  99.             twrefcnt += inet_twsk_bind_unhash(tw, hinfo); /* 把tw从该端口的使用者链表中删除 */  
  100.   
  101.         spin_unlock(&head->lock);  
  102.   
  103.         if (tw) {  
  104.             /* 把tw从tcp_death_row、ehash、bhash的哈希表中删除，更新tw的引用计数 */  
  105.             inet_twsk_deschedule(tw, death_row);  
  106.   
  107.             while (twrefcnt) {  
  108.                 twrefcnt--;  
  109.                 inet_twsk_put(tw); /* 释放tw结构体 */  
  110.             }  
  111.         }  
  112.    
  113.         ret = 0;  
  114.         goto out;  
  115.     }  
  116.       
  117.     /* 走到这里，表示用户已经自己绑定了端口 */  
  118.     head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, snum, hinfo->bhash_size)]; /* 端口所在的哈希桶 */  
  119.     tb = inet_csk(sk)->icsk_bind_hash; /* 端口的存储实例 */  
  120.   
  121.     spin_lock_bh(&head->lock);  
  122.   
  123.     /* 如果sk是此端口的使用者队列的第一个节点 */  
  124.     if (sk_head(&tb->owners) == sk && ! sk->sk_bind_node.next) {  
  125.         hash(sk, NULL); /* 计算sk在ehash中的索引，赋值给sk->sk_hash，把sk链入到ehash表中 */  
  126.         spin_unlock_bh(&head->lock);  
  127.         return 0;  
  128.   
  129.     } else {  
  130.         spin_unlock(&head->lock);  
  131.         /* No definite answer... Walk to established hash table */  
  132.         ret = check_established(death_row, sk, snum, NULL); /* 查看是否有可以重用的端口 */  
  133.   
  134. out:  
  135.   
  136.         local_bh_enable();  
  137.         return ret;  
  138.     }  
  139. }  

 

根据四元组，计算sk在ehash哈希表中的索引，保存到sk->sk_hash中，然后把sk链入ehash哈希表。

[java] view plain copy
  1. int __inet_hash_nolisten(struct sock *sk, struct inet_timewait_sock *tw)  
  2. {  
  3.     struct inet_hashinfo *hashinfo = sk->sk_prot->h.hashinfo;  
  4.     struct hlist_nulls_head *list;  
  5.     spinlock_t *lock;  
  6.     struct inet_ehash_bucket *head;  
  7.     int twrefcnt = 0;   
  8.   
  9.     WARN_ON(! sk_unhashed(sk));  
  10.   
  11.     sk->sk_hash = inet_sk_ehashfn(sk); /* 根据四元组，计算在ehash哈希表中的索引 */  
  12.     head = inet_ehash_bucket(hashinfo, sk->sk_hash); /* 根据索引，找到对应的哈希桶 */  
  13.     list = &head->chain;  
  14.     lock = inet_ehash_lockp(hashinfo, sk->sk_hash); /* 根据索引，找到对应哈希桶的锁 */  
  15.   
  16.     spin_lock(lock);  
  17.     __sk_nulls_add_node_rcu(sk, list); /* 把sk->sk_null_node链入链表 */   
  18.   
  19.     if (tw) { /* 如果复用了TIME_WAIT sock的端口 */  
  20.         WARN_ON(sk->sk_hash != tw->tw_hash);  
  21.   
  22.         /* 把tw从ehash表中删除，返回值如果为1，表示释放锁之后，需要调用inet_twsk_put() */  
  23.         twrefcnt = inet_twsk_unhash(tw);   
  24.     }  
  25.   
  26.     spin_unlock(lock);  
  27.     sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->sk_prot, 1); /* 增加TCP协议的引用计数 */  
  28.   
  29.     return twrefcnt;  
  30. }  

通过源IP、目的IP、源端口、目的端口，计算得到一个32位的哈希值。

赋值给sk->sk_hash，作为索引，用于定位ehash中的哈希桶。

[java] view plain copy
  1. static unsigned int inet_sk_ehashfn(const struct sock *sk)  
  2. {  
  3.     const struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);  
  4.     const __be32 laddr = inet->inet_rcv_saddr;  
  5.     const __u16 lport = inet->inet_num;  
  6.     const __be32 faddr = inet->inet_daddr;  
  7.     const __be16 fport = inet->inet_dport;  
  8.     struct net *net = sock_net(sk);  
  9.   
  10.     return inet_ehashfn(net, laddr, lport, faddr, fport);  
  11. }  
  12.   
  13. static inline unsigned int inet_ehashfn (struct net *net, const __be32 laddr, const __u16 lport,  
  14.     const __be32 faddr, const __be16 fport)  
  15. {  
  16.     return jhash_3words((__force __u32) laddr, (__force __u32) faddr,  
  17.         ((__u32) lport) << 16 | (__force __u32) fport,  
  18.         inet_ehash_secret + net_hash_mix(net));  
  19. }   
  20.    
  21. u32 inet_ehash_secret __read_mostly;  
  22.   
  23. /* inet_ehash_secret must be set exactly once */  
  24. void build_ehash_secret(void)  
  25. {  
  26.     u32 rnd;  
  27.     do {  
  28.         get_random_bytes(&rnd, sizeof(rnd));  
  29.     } while (rnd == 0);  
  30.    
  31.     /* cmpxchg(void *ptr, unsigned long old, unsigned long new) 
  32.      * 比较*ptr和old： 
  33.      * 如果相等，则将new写入*ptr，返回old。 
  34.      * 如果不相等，返回*ptr。 
  35.      * 这里用于确保inet_ehash_secret只被写入一次。 
  36.      */  
  37.     cmpxchg(&inet_ehash_secret, 0, rnd);  
  38. }   

 

端口重用

 

__inet_check_established()用来检查已经在使用中的端口是否可以重用。

如果在ehash哈希表中没有找到一条四元组相同的连接，这个端口当然允许重用。

如果在ehash哈希表中找到一条完全一样的连接，即四元组相同、绑定的设备相同，

那么还要符合以下条件：

1. 连接的状态为TCP_TIME_WAIT。

2. 使用了TCP_TIMESTAMP选项。

3. 使用tcp_tw_reuse，并且此连接最近收到数据包的时间在1s以前。

[java] view plain copy
  1. /* called with local bh disabled */  
  2. static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,  
  3.         struct sock *sk, __u16 lport, struct inet_timewait_sock **twp)  
  4. {  
  5.     struct inet_hashinfo *hinfo = death_row->hashinfo;  
  6.     struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);  
  7.     __be32 daddr = inet->inet_rcv_saddr;  
  8.     __be32 saddr = inet->inet_daddr;  
  9.     int dif = sk->sk_bound_dev_if;  
  10.     /* 根据目的IP和源IP，生成一个64位的值 */  
  11.     INET_ADDR_COOKIE(acookie, saddr, daddr);  
  12.     /* 根据目的端口和源端口，生成一个32位的值 */  
  13.     const __portpair ports = INET_COMBINED_PORTS(inet->inet_dport, lport);  
  14.     struct net *net = sock_net(sk);  
  15.     /* 通过连接的四元组，计算得到一个哈希值 */  
  16.     unsigned int hash = inet_ehashfn(net, daddr, lport, saddr, inet->inet_dport);  
  17.     /* 根据计算得到的哈希值，从哈希表中找到对应的哈希桶 */  
  18.     struct inet_ehash_bucket *head = inet_ehash_bucket(hinfo, hash);  
  19.     /* 根据计算得到的哈希值，从哈希表中找到对应哈希桶的锁 */  
  20.     spinlock_t *lock = inet_ehash_lockp(hinfo, hash);  
  21.     struct sock *sk2;  
  22.     const struct hlist_nulls_node *node;  
  23.     struct inet_timewait_sock *tw;  
  24.     int twrefcnt = 0;  
  25.   
  26.     spin_lock(lock); /* 锁住哈希桶 */  
  27.   
  28.     /* Check TIME-WAIT sockets first. 遍历哈希桶 */  
  29.     sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->chain) {  
  30.         if (sk2->sk_hash != hash) /* 先比较哈希值，相同的才继续匹配 */  
  31.             continue;  
  32.    
  33.         /* 如果连接完全匹配：四元组相同、绑定的设备相同 */  
  34.         if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie, saddr, daddr, ports, dif))) {  
  35.   
  36.             /* 此版本把ESTABLISHED和TIME_WAIT状态的连接放在同一个哈希桶中， 
  37.              * 所以需要判断连接状态是否为TIME_WAIT。 
  38.              */  
  39.             if (sk2->sk_state == TCP_TIME_WAIT) {  
  40.                 tw = inet_twsk(sk2);  
  41.   
  42.                 /* 满足以下条件就允许复用： 
  43.                  * 1. 使用TCP Timestamp选项。 
  44.                  * 2. 符合以下任一情况即可： 
  45.                  *     2.1 twp == NULL，主动建立连接时，如果用户已经绑定端口了，那么会符合。 
  46.                  *     2.2 启用tcp_tw_reuse，且距离上次收到数据包的时间大于1s。 
  47.                  */  
  48.                 if (twsk_unique(sk, sk2, twp)  
  49.                     break;  
  50.             }  
  51.   
  52.             goto not_unique;  
  53.         }  
  54.     }  
  55.   
  56.     /* 走到这里有两种情况： 
  57.      * 1. 遍历玩哈希桶，都没有找到四元组一样的。 
  58.      * 2. 找到了四元组一样的，但是符合重用的条件。 
  59.      */  
  60.    
  61.     /* Must record num and sport now. Otherwise we will see 
  62.      * in hash table socket with a funny identity. 
  63.      */  
  64.     inet->inet_num = lport; /* 保存源端口 */  
  65.     inet->inet_sport = htons(lport);  
  66.     sk->sk_hash = hash; /* 保存ehash表的哈希值 */  
  67.   
  68.     WARN_ON(! sk_unhashed(sk)); /* 要求新连接sk还没被链入ehash哈希表中 */  
  69.     __sk_nulls_add_node_rcu(sk, &head->chain); /* 把此sk链入ehash哈希表中 */  
  70.    
  71.    /* tw不为空，说明已经找到一条完全匹配的、处于TIME_WAIT状态的连接， 
  72.     * 并且经过判断，此连接的端口可以复用。 
  73.     */  
  74.     if (tw) {  
  75.         twrefcnt = inet_twsk_unhash(tw); /* 把此twsk从ehash表中删除 */  
  76.         NET_INC_STATS_BH(net, LINUX_MIB_TIMEWAITRECYCLED);  
  77.     }  
  78.   
  79.     spin_unlock(lock); /* 释放哈希桶的锁 */  
  80.   
  81.     if (twrefcnt) /* 如果需要释放twsk */  
  82.         inet_twsk_put(tw); /* 释放twsk实例 */  
  83.   
  84.     sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->s_prot, 1); /* 增加TCP协议的引用计数 */  
  85.    
  86.     /* 如果twp不为NULL，各种哈希表删除操作，就交给调用函数来处理 */  
  87.     if (twp) {  
  88.         *twp = tw;  
  89.     } else if (tw) {  
  90.         /* 把tw从death_row、ehash、bhash的哈希表中删除，更新tw的引用计数 */  
  91.         inet_twsk_deschedule(tw, death_row);  
  92.         inet_twsk_put(tw); /* 释放tw结构体 */  
  93.     }  
  94.   
  95.     return 0;  
  96.   
  97. not_unique:  
  98.     spin_unlock(lock);  
  99.     return -EADDRNOTAVAIL;  
  100. }    

 

端口初始偏移值

 

根据源IP、目的IP、目的端口，采用MD5计算出一个数值，即返回值offset。

[java] view plain copy
  1. static inline u32 inet_sk_port_offset (const struct sock *sk)  
  2. {  
  3.     const struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);  
  4.     return secure_ipv4_port_ephemeral(inet->inet_rcv_saddr, inet->inet_daddr, inet->inet_dport);  
  5. }  
  6.   
  7. #define MD5_DIGEST_WORDS 4  
  8. #define MD5_MESSAGE_BYTES 64  
  9. #define NET_SECRET_SIZE (MD5_MESSAGE_BYTES / 4)  
  10. static u32 net_secret[NET_SECRET_SIZE] ____cacheline_aligned;  
  11.   
  12. static __always_inline void net_secret_init(void)  
  13. {  
  14.     net_get_random_once(net_secret, sizeof(net_secret)); /* 只取一次随机数 */  
  15. }  
  16.   
  17. u32 secure_ipv4_port_ephemeral(__be32 saddr, __be32 daddr, __be16 dport)  
  18. {  
  19.     u32 hash[MD5_DIGEST_WORDS];  
  20.     net_secret_init(); /* 随机生成MD5消息 */  
  21.   
  22.     hash[0] = (__force u32) saddr;  
  23.     hash[1] = (__force u32) daddr;  
  24.     hash[2] = (__force u32) dport ^ net_secret[14];  
  25.     hash[3] = net_secret[15];  
  26.   
  27.     md5_transform(hash, net_secret); /* 计算MD5值，结果保存在hash数组中 */  
  28.   
  29.     return hash[0];  
  30. }  


posted @ 2017-04-03 15:01  张同光  阅读(477)  评论(0)  编辑  收藏  举报