【Linux 内核网络协议栈源码剖析】connect 函数剖析（一）


http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/46713505


TCP客户用 connect 函数来建立与 TCP 服务器的连接，其实是客户利用 connect 函数向服务器端发出连接请求。

1、应用层——connect 函数

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  1. #include <sys/socket.h>  
  2. int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);  
  3. /*sockfd是由socket函数返回的套接口描述字，第二、第三个参数分别是一个指向套接口地址结构的指针和该结构的大小。套接口地址结构必须含有服务器的IP地址和端口号*/  
上面的 sockfd 套接字描述符是客户端的套接字。

2、BSD Socket 层——sock_connect 函数

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  1. /* 
  2.  *  首先将要连接的源端地址从用户缓冲区复制到内核缓冲区，之后根据套接字目前所处状态 
  3.  *  采取对应措施，如果状态有效，转调用connect函数 
  4.  */  
  5.  //这是客户端，表示客户端向服务器端发送连接请求  
  6. static int sock_connect(int fd, struct sockaddr *uservaddr, int addrlen)  
  7. {  
  8.     struct socket *sock;  
  9.     struct file *file;  
  10.     int i;  
  11.     char address[MAX_SOCK_ADDR];  
  12.     int err;  
  13.     //参数有效性检查  
  14.     if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || (file=current->files->fd[fd]) == NULL)  
  15.         return(-EBADF);  
  16.     //给定文件描述符返回socket结构以及file结构指针  
  17.     if (!(sock = sockfd_lookup(fd, &file)))  
  18.         return(-ENOTSOCK);  
  19.     //用户地址空间数据拷贝到内核地址空间  
  20.     if((err=move_addr_to_kernel(uservaddr,addrlen,address))<0)  
  21.         return err;  
  22.       
  23.     //根据状态采取对应措施  
  24.     switch(sock->state)   
  25.     {  
  26.         case SS_UNCONNECTED:  
  27.             /* This is ok... continue with connect */  
  28.             break;  
  29.         case SS_CONNECTED:  
  30.             /* Socket is already connected */  
  31.             if(sock->type == SOCK_DGRAM) /* Hack for now - move this all into the protocol */  
  32.                 break;  
  33.             return -EISCONN;  
  34.         case SS_CONNECTING:  
  35.             /* Not yet connected... we will check this. */  
  36.           
  37.             /* 
  38.              *  FIXME:  for all protocols what happens if you start 
  39.              *  an async connect fork and both children connect. Clean 
  40.              *  this up in the protocols! 
  41.              */  
  42.             break;  
  43.         default:  
  44.             return(-EINVAL);  
  45.     }  
  46.     //调用下层函数(inet_connect())  
  47.     i = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)address, addrlen, file->f_flags);  
  48.     if (i < 0)   
  49.     {  
  50.         return(i);  
  51.     }  
  52.     return(0);  
  53. }  
该函数比较简单，主要是调用下层函数来实现，该函数则负责下层函数调用前的准备工作。

3、INET Socket 层——inet_connect 函数

客户端套接字的端口号是在这个函数中绑定的。

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  1. /* 
  2.  *  Connect to a remote host. There is regrettably still a little 
  3.  *  TCP 'magic' in here. 
  4.  */  
  5.  //完成套接字的连接请求操作，这是客户端主动向服务器端发送请求  
  6.  //sock是客户端套接字，后面的uaddr，addr_len则是对端服务器端的地址信息  
  7. static int inet_connect(struct socket *sock, struct sockaddr * uaddr,  
  8.           int addr_len, int flags)  
  9. {  
  10.     struct sock *sk=(struct sock *)sock->data;  
  11.     int err;  
  12.     sock->conn = NULL;  
  13.     //正在与远端取得连接，且tcp对应的状态  
  14.     if (sock->state == SS_CONNECTING && tcp_connected(sk->state))  
  15.     {  
  16.         sock->state = SS_CONNECTED;//直接设置字段为已经连接  
  17.         /* Connection completing after a connect/EINPROGRESS/select/connect */  
  18.         return 0;   /* Rock and roll */  
  19.     }  
  20.     //正在取得连接，且是tcp协议，非阻塞  
  21.     if (sock->state == SS_CONNECTING && sk->protocol == IPPROTO_TCP && (flags & O_NONBLOCK)) {  
  22.         if (sk->err != 0)  
  23.         {  
  24.             err=sk->err;  
  25.             sk->err=0;  
  26.             return -err;  
  27.         }  
  28.         //返回正在进行状态  
  29.         return -EALREADY;   /* Connecting is currently in progress */  
  30.     }  
  31.     //不是处于正在连接处理状态(现在进行时态)  
  32.     if (sock->state != SS_CONNECTING)   
  33.     {  
  34.         /* We may need to bind the socket. */  
  35.         //自动绑定一个端口号，客户端自动绑定端口号是在connect函数中实现的  
  36.         if(inet_autobind(sk)!=0)  
  37.             return(-EAGAIN);  
  38.         if (sk->prot->connect == NULL) //不支持该项操作，没有指定操作函数  
  39.             return(-EOPNOTSUPP);  
  40.         //转调用connect函数(传输层 tcp_connect函数)  
  41.         err = sk->prot->connect(sk, (struct sockaddr_in *)uaddr, addr_len);  
  42.         if (err < 0)   
  43.             return(err);  
  44.         sock->state = SS_CONNECTING;//设置状态字段，表示正在连接过程中  
  45.     }  
  46.     //这个状态下，这是关闭信号。各个状态描述，参考下面链接  
  47.     http://blog.csdn.net/wenqian1991/article/details/40110703  
  48.     //清楚，这里有两个state，一个是socket的state(套接字所处的连接状态)，一个是sock的state(涉及到协议，比如tcp的状态)  
  49.     //上面调用下层connect函数，会更新sk->state，如果出现>TCP_FIN_WAIT2，表明连接过程出现了异常  
  50.     if (sk->state > TCP_FIN_WAIT2 && sock->state==SS_CONNECTING)  
  51.     {  
  52.         sock->state=SS_UNCONNECTED;//连接未建立  
  53.         cli();  
  54.         err=sk->err;  
  55.         sk->err=0;  
  56.         sti();  
  57.         return -err;  
  58.     }  
  59.     //没有建立，就是在正在建立的路上  
  60.     if (sk->state != TCP_ESTABLISHED &&(flags & O_NONBLOCK))   
  61.         return(-EINPROGRESS);//过程正在处理  
  62.   
  63.     cli(); /* avoid the race condition */  
  64.     //这里的while实则是等待下层函数(前面的connect调用)的返回  
  65.     //正常退出while循环，表示连接成功  
  66.     while(sk->state == TCP_SYN_SENT || sk->state == TCP_SYN_RECV)   
  67.     {  
  68.         interruptible_sleep_on(sk->sleep);//添加到sk中的等待队列中，直到资源可用被唤醒  
  69.         if (current->signal & ~current->blocked)   
  70.         {  
  71.             sti();  
  72.             return(-ERESTARTSYS);  
  73.         }  
  74.         /* This fixes a nasty in the tcp/ip code. There is a hideous hassle with 
  75.            icmp error packets wanting to close a tcp or udp socket. */  
  76.         if(sk->err && sk->protocol == IPPROTO_TCP)  
  77.         {  
  78.             sti();  
  79.             sock->state = SS_UNCONNECTED;  
  80.             err = -sk->err;  
  81.             sk->err=0;  
  82.             return err; /* set by tcp_err() */  
  83.         }  
  84.     }  
  85.     sti();  
  86.     sock->state = SS_CONNECTED;//成功建立连接  
  87.     if (sk->state != TCP_ESTABLISHED && sk->err) //出错处理  
  88.     {  
  89.         sock->state = SS_UNCONNECTED;  
  90.         err=sk->err;  
  91.         sk->err=0;  
  92.         return(-err);  
  93.     }  
  94.     return(0);  
  95. }  
实质操作落到了下一层函数（tcp_connect函数）

4、传输层——tcp_connect 函数

tcp_connect 函数是由客户端调用的，客户端通过这个函数获得对端的地址信息（ip地址和端口号），另外本地ip地址也是在这个函数中指定的。三次握手阶段起于 connect 函数，自然地，在该函数指定目的地址，以及设置标志字段，定时器以后，就需要向服务器端发送连接请求数据包，对应操作在该函数最后。

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  1. /* 
  2.  *  This will initiate an outgoing connection.  
  3.  */  
  4.  //同accept; connect->sock_connect->inet_connect->tcp_connect  
  5.  //connect就是客户端向服务器端发出连接请求  
  6.  //参数:sk:客户端套接字；usin和addrlen分别是一个指向服务器端套接口地址结构的指针和该结构的大小  
  7. static int tcp_connect(struct sock *sk, struct sockaddr_in *usin, int addr_len)  
  8. {  
  9.     struct sk_buff *buff;  
  10.     struct device *dev=NULL;  
  11.     unsigned char *ptr;  
  12.     int tmp;  
  13.     int atype;  
  14.     struct tcphdr *t1;//tcp首部  
  15.     struct rtable *rt;//ip路由表  
  16.   
  17.     if (sk->state != TCP_CLOSE) //不是关闭状态就是表示已经建立连接了  
  18.     {  
  19.         return(-EISCONN);//连接已建立  
  20.     }  
  21.   
  22.     //地址结构大小检查  
  23.     if (addr_len < 8)   
  24.         return(-EINVAL);  
  25.   
  26.     //地址簇检查，INET域  
  27.     if (usin->sin_family && usin->sin_family != AF_INET)   
  28.         return(-EAFNOSUPPORT);  
  29.   
  30.     /* 
  31.      *  connect() to INADDR_ANY means loopback (BSD'ism). 
  32.      */  
  33.       
  34.     if(usin->sin_addr.s_addr==INADDR_ANY)//指定一个通配地址  
  35.         usin->sin_addr.s_addr=ip_my_addr();//本地ip地址(dev_base设备)  
  36.             
  37.     /* 
  38.      *  Don't want a TCP connection going to a broadcast address  
  39.      */  
  40.      //检查ip传播地址方式。广播、多播均不可行  
  41.     if ((atype=ip_chk_addr(usin->sin_addr.s_addr)) == IS_BROADCAST || atype==IS_MULTICAST)   
  42.         return -ENETUNREACH;  
  43.   
  44.   //sk已经具备本地地址信息，这里在赋值目的地址信息，这样sock套接字就具备了本地与对端两者的地址信息  
  45.   //知道住哪了，就知道怎么去了  
  46.     sk->inuse = 1;//加锁  
  47.     sk->daddr = usin->sin_addr.s_addr;//远端地址，即要请求连接的对端服务器地址  
  48.     sk->write_seq = tcp_init_seq();//初始化一个序列号，跟当前时间挂钩的序列号  
  49.     sk->window_seq = sk->write_seq;//窗口大小，用write_seq初始化  
  50.     sk->rcv_ack_seq = sk->write_seq -1;//目前本地接收到的对本地发送数据的应答序列号，表示此序号之前的数据已接收  
  51.     sk->err = 0;//错误标志清除  
  52.     sk->dummy_th.dest = usin->sin_port;//端口号赋值给tcp首部目的地址  
  53.     release_sock(sk);//重新接收暂存的数据包  
  54.   
  55.     buff = sk->prot->wmalloc(sk,MAX_SYN_SIZE,0, GFP_KERNEL);//分配一个网络数据包结构  
  56.     if (buff == NULL)   
  57.     {  
  58.         return(-ENOMEM);  
  59.     }  
  60.     sk->inuse = 1;  
  61.     buff->len = 24;//指定数据部分长度(头+数据)  
  62.     buff->sk = sk;//绑定套接字  
  63.     buff->free = 0;//发送完数据包后，不立即清除，先缓存起来  
  64.     buff->localroute = sk->localroute;//路由类型  
  65.   
  66.     //buff->data 是指向数据部分的首地址(包括首部)，这里是传输层，对应的数据部分为  
  67.     // TCP Hearder | data；buff->data则是指向其首地址  
  68.     t1 = (struct tcphdr *) buff->data;//tcp首部数据  
  69.     //buff->data中保存的是数据包的首部地址，在各个层对应不同的首部  
  70.       
  71.     /* 
  72.      *  Put in the IP header and routing stuff.  
  73.      */  
  74.      //查找合适的路由表项  
  75.     rt=ip_rt_route(sk->daddr, NULL, NULL);  
  76.       
  77.   
  78.     /* 
  79.      *  We need to build the routing stuff from the things saved in skb.  
  80.      */  
  81.     //这里是调用ip_build_header(ip.c)，结合前面可以看出prot操作函数调用的一般都是下一层的函数  
  82.     //build mac header 然后 build ip header，该函数返回时，buff的data部分已经添加了ip 首部和以太网首部  
  83.     //返回这两个首部大小之和  
  84.     tmp = sk->prot->build_header(buff, sk->saddr, sk->daddr, &dev,  
  85.                     IPPROTO_TCP, NULL, MAX_SYN_SIZE,sk->ip_tos,sk->ip_ttl);  
  86.     if (tmp < 0)   
  87.     {  
  88.         sk->prot->wfree(sk, buff->mem_addr, buff->mem_len);  
  89.         release_sock(sk);  
  90.         return(-ENETUNREACH);  
  91.     }  
  92.     //connect 函数是向指定地址的网络端发送连接请求数据包，最终数据包要被对端的硬件设备接收  
  93.     //所以需要对端的ip地址 mac地址。  
  94.       
  95.     buff->len += tmp;//数据帧长度更新，即加上创建的这两个首部长度  
  96.     t1 = (struct tcphdr *)((char *)t1 +tmp);//得到tcp首部  
  97.     //t1指针结构中对应的内存布局为:mac首部+ip首部+tcp首部+数据部分  
  98.     //t1是该结构的首地址，然后偏移mac首部和ip首部大小位置，定位到tcp首部  
  99.   
  100.     memcpy(t1,(void *)&(sk->dummy_th), sizeof(*t1));//拷贝缓存的tcp首部  
  101.     t1->seq = ntohl(sk->write_seq++);//32位序列号，序列号字节序转换  
  102.     //下面为tcp保证可靠数据传输使用的序列号  
  103.     sk->sent_seq = sk->write_seq;//将要发送的数据包的第一个字节的序列号  
  104.     buff->h.seq = sk->write_seq;//该数据包的ack值，针对tcp协议而言  
  105.     //tcp首部控制字设置  
  106.     t1->ack = 0;  
  107.     t1->window = 2;//窗口大小  
  108.     t1->res1=0;//首部长度  
  109.     t1->res2=0;  
  110.     t1->rst = 0;  
  111.     t1->urg = 0;  
  112.     t1->psh = 0;  
  113.     t1->syn = 1;//同步控制位  
  114.     t1->urg_ptr = 0;  
  115.     t1->doff = 6;  
  116.     /* use 512 or whatever user asked for */  
  117.   
  118.     //窗口大小，最大传输单元设置  
  119.     if(rt!=NULL && (rt->rt_flags&RTF_WINDOW))  
  120.         sk->window_clamp=rt->rt_window;//窗口大小钳制值  
  121.     else  
  122.         sk->window_clamp=0;  
  123.   
  124.     if (sk->user_mss)  
  125.         sk->mtu = sk->user_mss;//mtu最大传输单元  
  126.     else if(rt!=NULL && (rt->rt_flags&RTF_MTU))  
  127.         sk->mtu = rt->rt_mss;  
  128.     else   
  129.     {  
  130. #ifdef CONFIG_INET_SNARL  
  131.         if ((sk->saddr ^ sk->daddr) & default_mask(sk->saddr))  
  132. #else  
  133.         if ((sk->saddr ^ sk->daddr) & dev->pa_mask)  
  134. #endif  
  135.             sk->mtu = 576 - HEADER_SIZE;  
  136.         else  
  137.             sk->mtu = MAX_WINDOW;  
  138.     }  
  139.     /* 
  140.      *  but not bigger than device MTU  
  141.      */  
  142.   
  143.     if(sk->mtu <32)  
  144.         sk->mtu = 32;    /* Sanity limit */  
  145.           
  146.     sk->mtu = min(sk->mtu, dev->mtu - HEADER_SIZE);//mtu取允许值  
  147.       
  148.     /* 
  149.      *  Put in the TCP options to say MTU.  
  150.      */  
  151.     //这里不是很清楚  
  152.     ptr = (unsigned char *)(t1+1);  
  153.     ptr[0] = 2;  
  154.     ptr[1] = 4;  
  155.     ptr[2] = (sk->mtu) >> 8;  
  156.     ptr[3] = (sk->mtu) & 0xff;  
  157.     //计算tcp校验和  
  158.     tcp_send_check(t1, sk->saddr, sk->daddr,sizeof(struct tcphdr) + 4, sk);  
  159.   
  160.     /* 
  161.      *  This must go first otherwise a really quick response will get reset.  
  162.      */  
  163.     //connect发起连接请求时，开始tcp的三次握手，这是第一个状态  
  164.     tcp_set_state(sk,TCP_SYN_SENT);//设置tcp状态  
  165.     sk->rto = TCP_TIMEOUT_INIT;//延迟时间值  
  166. #if 0 /* we already did this */  
  167.     init_timer(&sk->retransmit_timer);   
  168. #endif  
  169.     //重发定时器设置  
  170.     sk->retransmit_timer.function=&retransmit_timer;  
  171.     sk->retransmit_timer.data = (unsigned long)sk;  
  172.     reset_xmit_timer(sk, TIME_WRITE, sk->rto);   /* Timer for repeating the SYN until an answer */  
  173.     sk->retransmits = TCP_SYN_RETRIES;  
  174.       
  175.     //前面地址信息，标识字段，查询路由表项等事务都已经完成了，那么就是发送连接请求数据包的时候了  
  176.     //下面这个函数将转调用ip_queue_xmit 函数(ip层)，这是个数据包发送函数  
  177.     sk->prot->queue_xmit(sk, dev, buff, 0);    
  178.     reset_xmit_timer(sk, TIME_WRITE, sk->rto);  
  179.     tcp_statistics.TcpActiveOpens++;  
  180.     tcp_statistics.TcpOutSegs++;  
  181.   
  182.     //那么下面就是一个数据包接收函数了，(可能有的名字已经占用了，就勉强用这个不相关的名字)  
  183.     //这个函数将内部调用 tcp_rcv 函数  
  184.     release_sock(sk);//重新接收数据包  
  185.     return(0);  
  186. }  

上面函数最后调用了queue_xmit 函数（ip_queue_xmit 函数）和 release_sock 函数，进行数据包的发送和接收。

另外，在inet_connect 函数中调用了 build_header 函数（ip层的 ip_build_header 函数），考虑到篇幅问题，我们将在下篇继续剖析。



posted @ 2016-10-15 16:48  张同光  阅读(458)  评论(0)  编辑  收藏  举报