TCP连接建立系列 — 客户端的端口选取和重用

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：

-EADDRNOT***AIL /* 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。

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

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。

int __inet_hash_connect (struct inet_timewait_death_row *death_row, 
    struct sock *sk, u32 port_offset,
    int (*check_established)(struct inet_timewait_death_row *, struct sock *,
         __u16, struct inet_timewait_sock **),
    int (*hash)(struct sock *sk, struct inet_timewait_sock *twp))
{
    struct inet_hashinfo *hinfo = death_row->hashinfo; /* tcp_hashinfo */
    const unsigned short snum = inet_sk(sk)->inet_num; /* 本端端口 */
    struct inet_bind_hashbucket *head;
    struct inet_bind_bucket *tb;
    int ret;
    struct net *net = sock_net(sk);
    int twrefcnt = 1;

    /* 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 */
    if (! snum) {
        int i, remaining, low, high, port;
        static u32 hint; /* 用于保存上次查找的位置 */
        u32 offset = hint + port_offset;
        struct inet_timewait_sock *tw = NULL;
        
        /* 系统自动分配时，获取端口号的取值范围 */
        inet_get_local_port_range(net, &low, &high);
        remaining = (high - low) + 1; /* 取值范围内端口号的个数 */
 
        local_bh_disable();
        for (i = 1; i <= remaining; i++) {
            /* 根据MD5计算得到的port_offset值，以及hint，获取范围内的一个端口 */
            port = low + (i + offset) % remaining; 
 
            /* 如果此端口号属于保留的，那么直接跳过 */
            if (inet_is_reserved_local_port(port))
                continue;

            /* 根据端口号，找到所在的哈希桶 */
            head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, port, hinfo->bhash_size)];
            spin_lock(&head->lock); /* 锁住此哈希桶 */

            /* 从头遍历哈希桶 */
            inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain) {
                /* 如果此端口已经被使用了 */
                if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == port) {

                    /* 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 */
                    if (tb->fastreuse >= 0 || tb->fastreuseport >= 0)
                        goto next_port;

                    WARN_ON(hlist_empty(&tb->owners));

                   /* 检查端口是否允许重用 */
                    if (! check_established(death_row, sk, port, &tw))
                        goto ok; /* 成功，该端口可以被重复使用 */
                    goto next_port; /* 失败 */
                }
            }
 
            /* 走到这里，表示该端口尚未被使用。
             * 创建一个inet_bind_bucket实例，并把它加入到哈希桶中。
             */
            tb = inet_bind_bucket_create(hinfo->bind_bucket, cachep, net, head, port);

            /* 如果内存不够，则退出端口选择。
             * 会导致connect()失败，返回-EADDRNOT***AIL。
             */
            if (! tb) {
                spin_unlock(&head->lock);
                break;
            }
 
            tb->fastreuse = -1;
            tb->fastreuseport = -1;
            goto ok;
 
            next_port:
                spin_unlock(&head->lock);
        } /* end of for */

        local_bh_enable();
 
        /* 有两种可能：内存不够、端口区间内的端口号用光 */
        return -EADDRNOT***AIL; /* Cannot assign requested address */

 ok:
        hint += i; /* 下一次connect()时，查找端口增加了这段偏移 */
 
        /* Head lock still held and bh's disabled.
         * 把tb赋值给icsk->icsk_bind_hash，更新inet->inet_num，把sock链入tb->owners哈希链中。
         * 更新该端口的绑定次数，系统总的端口绑定次数。
         */
        inet_bind_hash(sk, tb, port);
 
        /* 如果sk尚未链入ehash哈希表中 */
        if (sk_unhashed(sk)) {
            inet_sk(sk)->inet_sport = htons(port); /* 保存本地端口 */
            twrefcnt += hash(sk, tw); /* 把sk链入到ehash哈希表中，把tw从ehash表中删除 */
        }

        if (tw)
            twrefcnt += inet_twsk_bind_unhash(tw, hinfo); /* 把tw从该端口的使用者链表中删除 */

        spin_unlock(&head->lock);

        if (tw) {
            /* 把tw从tcp_death_row、ehash、bhash的哈希表中删除，更新tw的引用计数 */
            inet_twsk_deschedule(tw, death_row);

            while (twrefcnt) {
                twrefcnt--;
                inet_twsk_put(tw); /* 释放tw结构体 */
            }
        }
 
        ret = 0;
        goto out;
    }
    
    /* 走到这里，表示用户已经自己绑定了端口 */
    head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, snum, hinfo->bhash_size)]; /* 端口所在的哈希桶 */
    tb = inet_csk(sk)->icsk_bind_hash; /* 端口的存储实例 */

    spin_lock_bh(&head->lock);

    /* 如果sk是此端口的使用者队列的第一个节点 */
    if (sk_head(&tb->owners) == sk && ! sk->sk_bind_node.next) {
        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 */
        spin_unlock_bh(&head->lock);
        return 0;

    } else {
        spin_unlock(&head->lock);
        /* No definite answer... Walk to established hash table */
        ret = check_established(death_row, sk, snum, NULL); /* 查看是否有可以重用的端口 */

out:

        local_bh_enable();
        return ret;
    }
}

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。

int __inet_hash_nolisten(struct sock *sk, struct inet_timewait_sock *tw)
{
    struct inet_hashinfo *hashinfo = sk->sk_prot->h.hashinfo;
    struct hlist_nulls_head *list;
    spinlock_t *lock;
    struct inet_ehash_bucket *head;
    int twrefcnt = 0; 

    WARN_ON(! sk_unhashed(sk));

    sk->sk_hash = inet_sk_ehashfn(sk); /* 根据四元组，计算在ehash哈希表中的索引 */
    head = inet_ehash_bucket(hashinfo, sk->sk_hash); /* 根据索引，找到对应的哈希桶 */
    list = &head->chain;
    lock = inet_ehash_lockp(hashinfo, sk->sk_hash); /* 根据索引，找到对应哈希桶的锁 */

    spin_lock(lock);
    __sk_nulls_add_node_rcu(sk, list); /* 把sk->sk_null_node链入链表 */ 

    if (tw) { /* 如果复用了TIME_WAIT sock的端口 */
        WARN_ON(sk->sk_hash != tw->tw_hash);

        /* 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() */
        twrefcnt = inet_twsk_unhash(tw); 
    }

    spin_unlock(lock);
    sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->sk_prot, 1); /* 增加TCP协议的引用计数 */

    return twrefcnt;
}

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。

static unsigned int inet_sk_ehashfn(const struct sock *sk)
{
    const struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    const __be32 laddr = inet->inet_rcv_saddr;
    const __u16 lport = inet->inet_num;
    const __be32 faddr = inet->inet_daddr;
    const __be16 fport = inet->inet_dport;
    struct net *net = sock_net(sk);

    return inet_ehashfn(net, laddr, lport, faddr, fport);
}

static inline unsigned int inet_ehashfn (struct net *net, const __be32 laddr, const __u16 lport,
    const __be32 faddr, const __be16 fport)
{
    return jhash_3words((__force __u32) laddr, (__force __u32) faddr,
        ((__u32) lport) << 16 | (__force __u32) fport,
        inet_ehash_secret + net_hash_mix(net));
} 
 
u32 inet_ehash_secret __read_mostly;

/* inet_ehash_secret must be set exactly once */
void build_ehash_secret(void)
{
    u32 rnd;
    do {
        get_random_bytes(&rnd, sizeof(rnd));
    } while (rnd == 0);
 
    /* cmpxchg(void *ptr, unsigned long old, unsigned long new)
     * 比较*ptr和old：
     * 如果相等，则将new写入*ptr，返回old。
     * 如果不相等，返回*ptr。
     * 这里用于确保inet_ehash_secret只被写入一次。
     */
    cmpxchg(&inet_ehash_secret, 0, rnd);
}

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。

/* called with local bh disabled */
static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,
        struct sock *sk, __u16 lport, struct inet_timewait_sock **twp)
{
    struct inet_hashinfo *hinfo = death_row->hashinfo;
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    __be32 daddr = inet->inet_rcv_saddr;
    __be32 saddr = inet->inet_daddr;
    int dif = sk->sk_bound_dev_if;
    /* 根据目的IP和源IP，生成一个64位的值 */
    INET_ADDR_COOKIE(acookie, saddr, daddr);
    /* 根据目的端口和源端口，生成一个32位的值 */
    const __portpair ports = INET_COMBINED_PORTS(inet->inet_dport, lport);
    struct net *net = sock_net(sk);
    /* 通过连接的四元组，计算得到一个哈希值 */
    unsigned int hash = inet_ehashfn(net, daddr, lport, saddr, inet->inet_dport);
    /* 根据计算得到的哈希值，从哈希表中找到对应的哈希桶 */
    struct inet_ehash_bucket *head = inet_ehash_bucket(hinfo, hash);
    /* 根据计算得到的哈希值，从哈希表中找到对应哈希桶的锁 */
    spinlock_t *lock = inet_ehash_lockp(hinfo, hash);
    struct sock *sk2;
    const struct hlist_nulls_node *node;
    struct inet_timewait_sock *tw;
    int twrefcnt = 0;

    spin_lock(lock); /* 锁住哈希桶 */

    /* Check TIME-WAIT sockets first. 遍历哈希桶 */
    sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->chain) {
        if (sk2->sk_hash != hash) /* 先比较哈希值，相同的才继续匹配 */
            continue;
 
        /* 如果连接完全匹配：四元组相同、绑定的设备相同 */
        if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie, saddr, daddr, ports, dif))) {

            /* 此版本把ESTABLISHED和TIME_WAIT状态的连接放在同一个哈希桶中，
             * 所以需要判断连接状态是否为TIME_WAIT。
             */
            if (sk2->sk_state == TCP_TIME_WAIT) {
                tw = inet_twsk(sk2);

                /* 满足以下条件就允许复用：
                 * 1. 使用TCP Timestamp选项。
                 * 2. 符合以下任一情况即可：
                 *     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。
                 *     2.2 启用tcp_tw_reuse，且距离上次收到数据包的时间大于1s。
                 */
                if (twsk_unique(sk, sk2, twp)
                    break;
            }

            goto not_unique;
        }
    }

    /* 走到这里有两种情况：
     * 1. 遍历玩哈希桶，都没有找到四元组一样的。
     * 2. 找到了四元组一样的，但是符合重用的条件。
     */
 
    /* Must record num and sport now. Otherwise we will see
     * in hash table socket with a funny identity.
     */
    inet->inet_num = lport; /* 保存源端口 */
    inet->inet_sport = htons(lport);
    sk->sk_hash = hash; /* 保存ehash表的哈希值 */

    WARN_ON(! sk_unhashed(sk)); /* 要求新连接sk还没被链入ehash哈希表中 */
    __sk_nulls_add_node_rcu(sk, &head->chain); /* 把此sk链入ehash哈希表中 */
 
   /* 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，
    * 并且经过判断，此连接的端口可以复用。
    */
    if (tw) {
        twrefcnt = inet_twsk_unhash(tw); /* 把此twsk从ehash表中删除 */
        NET_INC_STATS_BH(net, LINUX_MIB_TIMEWAITRECYCLED);
    }

    spin_unlock(lock); /* 释放哈希桶的锁 */

    if (twrefcnt) /* 如果需要释放twsk */
        inet_twsk_put(tw); /* 释放twsk实例 */

    sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->s_prot, 1); /* 增加TCP协议的引用计数 */
 
    /* 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 */
    if (twp) {
        *twp = tw;
    } else if (tw) {
        /* 把tw从death_row、ehash、bhash的哈希表中删除，更新tw的引用计数 */
        inet_twsk_deschedule(tw, death_row);
        inet_twsk_put(tw); /* 释放tw结构体 */
    }

    return 0;

not_unique:
    spin_unlock(lock);
    return -EADDRNOT***AIL;
}  

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。

static inline u32 inet_sk_port_offset (const struct sock *sk)
{
    const struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    return secure_ipv4_port_ephemeral(inet->inet_rcv_saddr, inet->inet_daddr, inet->inet_dport);
}

#define MD5_DIGEST_WORDS 4
#define MD5_MESSAGE_BYTES 64
#define NET_SECRET_SIZE (MD5_MESSAGE_BYTES / 4)
static u32 net_secret[NET_SECRET_SIZE] ____cacheline_aligned;

static __always_inline void net_secret_init(void)
{
    net_get_random_once(net_secret, sizeof(net_secret)); /* 只取一次随机数 */
}

u32 secure_ipv4_port_ephemeral(__be32 saddr, __be32 daddr, __be16 dport)
{
    u32 hash[MD5_DIGEST_WORDS];
    net_secret_init(); /* 随机生成MD5消息 */

    hash[0] = (__force u32) saddr;
    hash[1] = (__force u32) daddr;
    hash[2] = (__force u32) dport ^ net_secret[14];
    hash[3] = net_secret[15];

    md5_transform(hash, net_secret); /* 计算MD5值，结果保存在hash数组中 */

    return hash[0];
}