TCP連線狀態管理
TCP協議連線初始化後的狀態管理和切換由tcp_rcv_sate_preocess函式完成,tcp_v4_recevie函式收到資料包後檢視TCP協議頭,區分是隻含純傳送負載資料還是包含控制資訊SYN、FIN、RST、ACK等的資料包。各種狀態的資料包處理過程大部分在tcp_rcv_state_process函式中完成,除ESTABLISHE和TIME_WAIT這兩個狀態外。資料包到達後如果是CLOSED狀態就扔掉。
1、從LINSTEN到SYN_RECV
處於LINSTEN狀態表名套接字是一個伺服器,在等待一個連線請求,這時TCP協議收到的各種標誌資料包處理如下:
ACK:傳送連線復位。
RST:連線由客戶端復位,扔掉資料包。
SYN:客戶端傳送一個連線請求,呼叫icsk_af_ops->conne_rquest實際指向函式tcp_v4_conn_request,初始化序列號、傳送SYN 和ACK標誌給客戶端,將TCP狀態設定為TCP_SYN_RECV。
其他資料包:這時連線還沒建立,就扔掉。
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct tcphdr *th, unsigned len) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk); int queued = 0; int res; tp->rx_opt.saw_tstamp = 0; switch (sk->sk_state) { //狀態是CLOSE直接扔掉資料包 case TCP_CLOSE: goto discard; //表名套接字是一個伺服器 case TCP_LISTEN: //收到ACK包返回1,傳送連線復位 if (th->ack) return 1; //收到RST包直接扔掉 if (th->rst) goto discard; if (th->syn) { //處理連線請求,實際呼叫tcp_v4_conn_request //回覆對端ACK SYN包 if (icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) < 0) return 1; kfree_skb(skb); return 0; } goto discard; ... }
2、SYN_SENT到ESTABLISHED
套接字狀態是SYN_SENT,表名套接字是一個客戶單,它傳送了SYN包,在等待伺服器的SYN和ACK包,以確保狀態轉換到ESTABLISHED
... //表明是個客戶端 case TCP_SYN_SENT: //處理成功從SYN_SET切換到ESTABLISHED queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th, len); if (queued >= 0) return queued; /* Do step6 onward by hand. */ tcp_urg(sk, skb, th); __kfree_skb(skb); tcp_data_snd_check(sk); return 0; ...
(1)收到ACK
tcp_rcv_synsent_state_process函式會對資料包和TCP協議頭進行檢驗,如果資料包合法而且設定了正確的ACK標誌,就把套接字狀態切換到ESTABLISHED。
static int tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, unsigned len)
{
...
//收到ACK且資料包合法,切換到ESTABLISHED狀態
tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
....
}
(2)收到連線復位
如果收到連線復位請求,則復位連線並扔掉資料包。
static int tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, unsigned len)
{
...
//收到連線復位,復位連線,並扔掉資料包
if (th->rst) {
tcp_reset(sk);
goto discard;
}
...
}
(3)沒有SYN標誌
如果資料包沒有SYN標誌,就扔掉。
static int tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, unsigned len)
{
...
//沒有SYN標誌扔掉資料包
if (!th->syn)
goto discard_and_undo;
...
}
(4)tcp_rcv_synsent_state_process返回值
tcp_rcv_synsent_state_process返回一個負值,表明資料段中還有資料等待處理,處理檢視URG標誌外不做任何處理。
...
//處理成功從SYN_SET切換到ESTABLISHED
queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th, len);
if (queued >= 0)
return queued;
/* Do step6 onward by hand. */
tcp_urg(sk, skb, th);
__kfree_skb(skb);
tcp_data_snd_check(sk);
...
到目前位置處理了SYN_SENT、LINSTEN、CLOSE這三個狀態的套接字,其他狀態在接下來處理。
3、資料包有效性檢查
資料包的有效性檢查由函式tcp_validate_incoming完成,按照RFC793規範進行。
(1)、序列號檢查
tcp_sequence函式檢查序列號是否在視窗範圍內,如果超出了當前視窗就扔掉資料包。
static int tcp_validate_incoming(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, int syn_inerr)
{
...
/* Step 1: check sequence number */
//第一步序列號檢查
if (!tcp_sequence(tp, TCP_SKB_CB(skb)->seq, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq)) {
/* RFC793, page 37: "In all states except SYN-SENT, all reset
* (RST) segments are validated by checking their SEQ-fields."
* And page 69: "If an incoming segment is not acceptable,
* an acknowledgment should be sent in reply (unless the RST
* bit is set, if so drop the segment and return)".
*/
//函式復位標誌RST直接扔掉資料包並返回
if (!th->rst)
tcp_send_dupack(sk, skb);
goto discard;
}
...
}
(2)復位連線標誌
如果資料包有復位連線標誌RST,就復位連線,並扔掉資料包。
static int tcp_validate_incoming(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, int syn_inerr)
{
...
//如果有復位標誌RST則復位連線,扔掉資料包
/* Step 2: check RST bit */
if (th->rst) {
tcp_reset(sk);
goto discard;
}
...
}
(3)檢查SYN是否在視窗範圍內
static int tcp_validate_incoming(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, int syn_inerr)
{
...
//如果是SYN,檢視序列號是否在當前視窗範圍內
/* step 4: Check for a SYN in window. */
if (th->syn && !before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt)) {
if (syn_inerr)
TCP_INC_STATS_BH(sock_net(sk), TCP_MIB_INERRS);
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONSYN);
tcp_reset(sk);
return -1;
}
...
}
4、資料包有效:有ACK標誌
(1)TCP_SYN_RECV
如果收到ACK標誌資料包,而且套接字狀態處於SYN_RECV,這時最大可能是處於被迫開啟狀態,應切換到ESTABLISH狀態,計算RTT,如果接受到的ACK資料包中有時間戳選項,RTT基於時間戳計算,RTT的值儲存在struct tcp_sock資料結構的srtt資料域中,重新構建協議頭
...
/* step 5: check the ACK field */
if (th->ack) {
int acceptable = tcp_ack(sk, skb, FLAG_SLOWPATH) > 0;
switch (sk->sk_state) {
//收到ACK,連線狀態處於SYN_RECV,這時處於被迫開啟的狀態
//狀態切換到ESTABLISHE
case TCP_SYN_RECV:
if (acceptable) {
tp->copied_seq = tp->rcv_nxt;
smp_mb();
tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
sk->sk_state_change(sk);
/* Note, that this wakeup is only for marginal
* crossed SYN case. Passively open sockets
* are not waked up, because sk->sk_sleep ==
* NULL and sk->sk_socket == NULL.
*/
//喚醒套接字
if (sk->sk_socket)
sk_wake_async(sk,
SOCK_WAKE_IO, POLL_OUT);
tp->snd_una = TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq;
tp->snd_wnd = ntohs(th->window) <<
tp->rx_opt.snd_wscale;
tcp_init_wl(tp, TCP_SKB_CB(skb)->seq);
/* tcp_ack considers this ACK as duplicate
* and does not calculate rtt.
* Force it here.
*/
//計算RTT
tcp_ack_update_rtt(sk, 0, 0);
if (tp->rx_opt.tstamp_ok)
tp->advmss -= TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED;
/* Make sure socket is routed, for
* correct metrics.
*/
//重新構建TCP頭部
icsk->icsk_af_ops->rebuild_header(sk);
//初始化套接字某些欄位
tcp_init_metrics(sk);
tcp_init_congestion_control(sk);
/* Prevent spurious tcp_cwnd_restart() on
* first data packet.
*/
tp->lsndtime = tcp_time_stamp;
tcp_mtup_init(sk);
//套接字上的預留緩衝區基於收到的MSS值來確定
//初始化視窗大小一個猜測值
tcp_initialize_rcv_mss(sk);
//為套接字預留緩衝區空間
tcp_init_buffer_space(sk);
//計算struc tcp_sock資料結構上的pred_flags資料域
//該資料域決定是否應交給Fast Path處理
tcp_fast_path_on(tp);
} else {
return 1;
}
break;
...
(2)FIN_WAIT_1
如果套接字狀態處於FIN_WAIT_1收到一個ACK包,套接字狀態就會切換到FIN_WAIT_2,同時設定套接字的shutdown資料域的值為SEND_SHUTDOWN,指明隨後套接字切換成CLOSED狀態時應向站點發送包含RST的資料包shutdown。
處理TCP選項:
TCP_LINGER2選項:決定套接字進入CLOSED狀態之前,需要在FIN_WAIT_2狀態上等待多長時間,他的值儲存在struct tcp_sock tp->linger2資料域中,如果linger2為負值,則套接字立即切換到CLOSED狀態,不經過 FIN_WAIT_2和TIMEI_WAIT狀態。
keepalive選項:keepalive時鐘超時的情況要被複位。
如果收到ACK資料包是最後一個回答FIN,或套接字被其他程序鎖定,則復位keepalive時鐘,如果不這麼做就會丟失FIN。
....
case TCP_FIN_WAIT1:
//FIN_WAIT1狀態收到ACK切換到FIN_WAIT2
if (tp->snd_una == tp->write_seq) {
tcp_set_state(sk, TCP_FIN_WAIT2);
//設定shutdown資料域為SEND_SHUTDOWN
//指明套接字切換成CLOSED要傳送RST資料包
sk->sk_shutdown |= SEND_SHUTDOWN;
dst_confirm(__sk_dst_get(sk));
if (!sock_flag(sk, SOCK_DEAD))
/* Wake up lingering close() */
sk->sk_state_change(sk);
else {
//不是一個死套接字
int tmo;
//決定套接字進入CLOSED狀態前要在FIN_WAIT2狀態等待多長時間
//這個時間儲存在tp->linger2,如果linger2小於0,則套接字立即從
//FIN_WAIT1切換到CLISED,不經過FIN_WAIT2
if (tp->linger2 < 0 ||
(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq != TCP_SKB_CB(skb)->seq &&
after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - th->fin, tp->rcv_nxt))) {
tcp_done(sk);
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
return 1;
}
tmo = tcp_fin_time(sk);
if (tmo > TCP_TIMEWAIT_LEN) {
//keepalive時鐘超時情況下被複位
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, tmo - TCP_TIMEWAIT_LEN);
} else if (th->fin || sock_owned_by_user(sk)) {
/* Bad case. We could lose such FIN otherwise.
* It is not a big problem, but it looks confusing
* and not so rare event. We still can lose it now,
* if it spins in bh_lock_sock(), but it is really
* marginal case.
*/
//收到的ACK是最後一個回答FIN
//或者套接字被其他程序鎖定就要復位時鐘
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, tmo);
} else {
//複製進入FIN_WAIT2
tcp_time_wait(sk, TCP_FIN_WAIT2, tmo);
goto discard;
}
}
}
break;
...
(3)CLOSING
收到ACK後套接字直接進入TIME_WAIT狀態,說明對端沒有資料向外傳送了。
...
case TCP_CLOSING:
//TCP_CLOSING收到ACK直接進入TIME_WAIT,
//表名對端沒有向外傳送資料了
if (tp->snd_una == tp->write_seq) {
tcp_time_wait(sk, TCP_TIME_WAIT, 0);
goto discard;
}
break;
...
(4)LAST_ACK
套接字被迫關閉,響應應用程式close,收到ACK就關閉套接字,所以呼叫tcp_done。
...
case TCP_LAST_ACK:
//套接字被迫關閉,這個狀態收到ACK就可以關閉套接字
//所以呼叫tcp_done關閉套接字
if (tp->snd_una == tp->write_seq) {
tcp_update_metrics(sk);
tcp_done(sk);
goto discard;
}
break;
...
5、處理段中的資料內容
以下5中狀態多要將資料段放入佇列中:case TCP_CLOSE_WAIT、TCP_CLOSING、TCP_LAST_ACK、TCP_FIN_WAIT1、TCP_FIN_WAIT2併發送一個復位。
...
//以下幾種狀態是可以接受資料的
//處理資料包
/* step 7: process the segment text */
switch (sk->sk_state) {
case TCP_CLOSE_WAIT:
case TCP_CLOSING:
case TCP_LAST_ACK:
if (!before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt))
break;
case TCP_FIN_WAIT1:
case TCP_FIN_WAIT2:
/* RFC 793 says to queue data in these states,
* RFC 1122 says we MUST send a reset.
* BSD 4.4 also does reset.
*/
if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN) {
if (TCP_SKB_CB(skb)->end_seq != TCP_SKB_CB(skb)->seq &&
after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - th->fin, tp->rcv_nxt)) {
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
tcp_reset(sk);
return 1;
}
}
/* Fall through */
...
6、ESTABLISHED狀態處理
套接字狀態為ESTABLISHED狀態是可以收到常規資料段的,它呼叫tcp_data_queue函式將資料段放入套接字輸入緩衝區佇列中。
tcp_rcv_state_process完整程式碼:
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct tcphdr *th, unsigned len)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
int queued = 0;
int res;
tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;
switch (sk->sk_state) {
//狀態是CLOSE直接扔掉資料包
case TCP_CLOSE:
goto discard;
//表名套接字是一個伺服器
case TCP_LISTEN:
//收到ACK包返回1,傳送連線復位
if (th->ack)
return 1;
//收到RST包直接扔掉
if (th->rst)
goto discard;
if (th->syn) {
//處理連線請求,實際呼叫tcp_v4_conn_request
//回覆對端ACK SYN包
if (icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) < 0)
return 1;
/* Now we have several options: In theory there is
* nothing else in the frame. KA9Q has an option to
* send data with the syn, BSD accepts data with the
* syn up to the [to be] advertised window and
* Solaris 2.1 gives you a protocol error. For now
* we just ignore it, that fits the spec precisely
* and avoids incompatibilities. It would be nice in
* future to drop through and process the data.
*
* Now that TTCP is starting to be used we ought to
* queue this data.
* But, this leaves one open to an easy denial of
* service attack, and SYN cookies can't defend
* against this problem. So, we drop the data
* in the interest of security over speed unless
* it's still in use.
*/
kfree_skb(skb);
return 0;
}
goto discard;
//表明是個客戶端
case TCP_SYN_SENT:
//處理成功從SYN_SET切換到ESTABLISHED
queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th, len);
if (queued >= 0)
return queued;
/* Do step6 onward by hand. */
tcp_urg(sk, skb, th);
__kfree_skb(skb);
tcp_data_snd_check(sk);
return 0;
}
//對資料包檢查
res = tcp_validate_incoming(sk, skb, th, 0);
if (res <= 0)
return -res;
/* step 5: check the ACK field */
if (th->ack) {
int acceptable = tcp_ack(sk, skb, FLAG_SLOWPATH) > 0;
switch (sk->sk_state) {
//收到ACK,連線狀態處於SYN_RECV,這時處於被迫開啟的狀態
//狀態切換到ESTABLISHE
case TCP_SYN_RECV:
if (acceptable) {
tp->copied_seq = tp->rcv_nxt;
smp_mb();
tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
sk->sk_state_change(sk);
/* Note, that this wakeup is only for marginal
* crossed SYN case. Passively open sockets
* are not waked up, because sk->sk_sleep ==
* NULL and sk->sk_socket == NULL.
*/
//喚醒套接字
if (sk->sk_socket)
sk_wake_async(sk,
SOCK_WAKE_IO, POLL_OUT);
tp->snd_una = TCP_SKB_CB(skb)->ack_seq;
tp->snd_wnd = ntohs(th->window) <<
tp->rx_opt.snd_wscale;
tcp_init_wl(tp, TCP_SKB_CB(skb)->seq);
/* tcp_ack considers this ACK as duplicate
* and does not calculate rtt.
* Force it here.
*/
//計算RTT
tcp_ack_update_rtt(sk, 0, 0);
if (tp->rx_opt.tstamp_ok)
tp->advmss -= TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED;
/* Make sure socket is routed, for
* correct metrics.
*/
//重新構建TCP頭部
icsk->icsk_af_ops->rebuild_header(sk);
//初始化套接字某些欄位
tcp_init_metrics(sk);
tcp_init_congestion_control(sk);
/* Prevent spurious tcp_cwnd_restart() on
* first data packet.
*/
tp->lsndtime = tcp_time_stamp;
tcp_mtup_init(sk);
//套接字上的預留緩衝區基於收到的MSS值來確定
//初始化視窗大小一個猜測值
tcp_initialize_rcv_mss(sk);
tcp_init_buffer_space(sk);
tcp_fast_path_on(tp);
} else {
return 1;
}
break;
case TCP_FIN_WAIT1:
//FIN_WAIT1狀態收到ACK切換到FIN_WAIT2
if (tp->snd_una == tp->write_seq) {
tcp_set_state(sk, TCP_FIN_WAIT2);
//設定shutdown資料域為SEND_SHUTDOWN
//指明套接字切換成CLOSED要傳送RST資料包
sk->sk_shutdown |= SEND_SHUTDOWN;
dst_confirm(__sk_dst_get(sk));
if (!sock_flag(sk, SOCK_DEAD))
/* Wake up lingering close() */
sk->sk_state_change(sk);
else {
int tmo;
//決定套接字進入CLOSED狀態前要在FIN_WAIT2狀態等待多長時間
//這個時間儲存在tp->linger2,如果linger2小於0,則套接字立即從
//FIN_WAIT1切換到CLISED,不經過FIN_WAIT2
if (tp->linger2 < 0 ||
(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq != TCP_SKB_CB(skb)->seq &&
after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - th->fin, tp->rcv_nxt))) {
tcp_done(sk);
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
return 1;
}
tmo = tcp_fin_time(sk);
if (tmo > TCP_TIMEWAIT_LEN) {
//keepalive時鐘超時情況下被複位
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, tmo - TCP_TIMEWAIT_LEN);
} else if (th->fin || sock_owned_by_user(sk)) {
/* Bad case. We could lose such FIN otherwise.
* It is not a big problem, but it looks confusing
* and not so rare event. We still can lose it now,
* if it spins in bh_lock_sock(), but it is really
* marginal case.
*/
//收到的ACK是最後一個回答FIN
//或者套接字被其他程序鎖定就要復位時鐘
inet_csk_reset_keepalive_timer(sk, tmo);
} else {
//複製進入FIN_WAIT2
tcp_time_wait(sk, TCP_FIN_WAIT2, tmo);
goto discard;
}
}
}
break;
case TCP_CLOSING:
//TCP_CLOSING收到ACK直接進入TIME_WAIT,
//表名對端沒有向外傳送資料了
if (tp->snd_una == tp->write_seq) {
tcp_time_wait(sk, TCP_TIME_WAIT, 0);
goto discard;
}
break;
case TCP_LAST_ACK:
//套接字被迫關閉,這個狀態收到ACK就可以關閉套接字
//所以呼叫tcp_done關閉套接字
if (tp->snd_una == tp->write_seq) {
tcp_update_metrics(sk);
tcp_done(sk);
goto discard;
}
break;
}
} else
goto discard;
/* step 6: check the URG bit */
tcp_urg(sk, skb, th);
//以下幾種狀態是可以接受資料的
//處理資料包
/* step 7: process the segment text */
switch (sk->sk_state) {
case TCP_CLOSE_WAIT:
case TCP_CLOSING:
case TCP_LAST_ACK:
if (!before(TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt))
break;
case TCP_FIN_WAIT1:
case TCP_FIN_WAIT2:
/* RFC 793 says to queue data in these states,
* RFC 1122 says we MUST send a reset.
* BSD 4.4 also does reset.
*/
if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN) {
if (TCP_SKB_CB(skb)->end_seq != TCP_SKB_CB(skb)->seq &&
after(TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - th->fin, tp->rcv_nxt)) {
NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
tcp_reset(sk);
return 1;
}
}
/* Fall through */
case TCP_ESTABLISHED:
tcp_data_queue(sk, skb);
queued = 1;
break;
}
/* tcp_data could move socket to TIME-WAIT */
if (sk->sk_state != TCP_CLOSE) {
tcp_data_snd_check(sk);
tcp_ack_snd_check(sk);
}
if (!queued) {
discard:
__kfree_skb(skb);
}
return 0;
}