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(1) linux 3.x - server - TCP连接建立系列 — 服务端接收SYN段

2017-04-03 15:05 387 查看
http://blog.csdn.net/zhangskd/article/details/16879781

本文主要分析:服务器端接收到SYN包时的处理路径。

内核版本:3.6

Author:zhangskd @ csdn blog

 

接收入口

 

1. 状态为ESTABLISHED时,用tcp_rcv_established()接收处理。

2. 状态为LISTEN时,说明这个sock处于监听状态,用于被动打开的接收处理,包括SYN和ACK。

3. 当状态不为ESTABLISHED或TIME_WAIT时,用tcp_rcv_state_process()处理。

[java]
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int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)  
{  
    struct sock *rsk;  
  
#ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG  
    /* We really want to reject the packet as early as possible if : 
     * We're expecting an MD5'd packet and this is no MD5 tcp option. 
     * There is an MD5 option and we're not expecting one. 
     */  
    if (tcp_v4_inbound_md5_hash(sk, skb))  
        goto discard;  
#endif  
  
    /* 当状态为ESTABLISHED时,用tcp_rcv_established()接收处理 */  
    if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED) { /* Fast path */  
        struct dst_entry *dst = sk->sk_rx_dst;  
        sock_rps_save_rxhash(sk, skb);  
  
        if (dst) {  
            if (inet_sk(sk)->rx_dst_ifindex != skb->skb_iif || dst->ops->check(dst, 0) == NULL) {  
                dst_release(dst);  
                sk->sk_rx_dst = NULL;  
            }  
        }  
   
        /* 连接已建立时的处理路径 */  
        if (tcp_rcv_established(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len)) {  
            rsk = sk;  
            goto reset;  
        }  
        return 0;  
    }  
  
    /* 检查报文长度、报文校验和 */  
    if (skb->len < tcp_hdrlen(skb) || tcp_checksum_complete(skb))  
        goto csum_err;  
  
    /* 如果这个sock处于监听状态,被动打开时的处理,包括收到SYN或ACK */  
    if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {  
        /* 返回值: 
         * NULL,错误 
         * nsk == sk,接收到SYN 
         * nsk != sk,接收到ACK 
         */  
        struct sock *nsk = tcp_v4_hnd_req(sk, skb); /* 接收ACK的处理 */  
  
        if (! nsk)  
            goto discard;  
  
        if (nsk != sk) { /* 接收到ACK时 */  
            sock_rps_save_rxhash(nsk, skb);  
  
            if (tcp_child_process(sk, nsk, skb)) { /* 处理新的sock */  
                rsk = nsk;  
                goto reset;  
            }  
            return 0;  
        }  
    } else  
        sock_rps_save_rx(sk, skb);  
  
    /* 处理除了ESTABLISHED和TIME_WAIT之外的所有状态 */  
    if (tcp_rcv_state_process(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len)) {  
        rsk = sk;  
        goto reset;  
    }  
    return 0;  
  
reset:  
    tcp_v4_send_reset(rsk, skb); /* 发送RST包 */  
  
discard:  
    kfree_skb(skb);  
    return 0;  
  
csum_err:  
    TCP_INC_STATS_BH(sock_net(sk), TCP_MIB_INERRS);  
    goto discard;  
}  

 

当收到客户端发送的SYN包时,会进入tcp_rcv_state_process()进行处理。

[java]
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/* 
 * This function implements the receiving procedure of RFC 793 for all states except 
 * ESTABLISHED and TIME_WAIT. 
 * It's called from both tcp_v4_rcv and tcp_v6_rcv and should be address independent. 
 */  
  
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, const struct tcphdr *th,   
              unsigned int len)  
{  
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);  
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);  
    int queued = 0;  
  
    tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;  
  
    switch(sk->sk_state) {  
        case TCP_CLOSE:  
            goto discard;  
  
        case TCP_LISTEN:  
            /* 收到SYN会走到这边,而ACK不会。 
             * 所以直接向服务器发送ACK包,会收到RST包(使用SYN Cookie时除外)。 
             */  
            if (th->ack)   
                return 1;  
  
            if (th->rst)  
                goto discard;  
  
            if (th->syn) {  
                if (th->fin)  
                    goto discard;  
  
                /* 对于IPv4,对应的是ipv4_specific,调用tcp_v4_conn_request()处理收到的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. 
                 */  
                 /* 这里讨论了SYN包携带数据的问题 */  
  
                 kfree_skb(skb);  
                 return 0;  
            }  
  
            goto discard;  
        ...  
    }  
    ...  
discard:  
        __kfree_skb(skb);  
    }  
    return 0;  
}  

 

处理SYN包

 

SYN包的处理是地址族相关的,我们要研究的是IPv4。

[java]
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/* 
 * Pointers to address related TCP functions 
 * (i.e. things that depend on the address family) 
 */  
struct inet_connection_sock_af_ops {  
    ...  
    int (*conn_request) (struct sock *sk, struct sk_buff *skb);  
    ...  
};  
  
const struct inet_connection_sock_af_ops ipv4_specific = {  
    ...  
    .conn_request = tcp_v4_conn_request, /* IPv4 SYN包的处理函数 */  
    ...  
};  

 

服务器端处理接收到的SYN包。

[java]
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int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)  
{  
    struct tcp_extend_values tmp_ext;  
    struct tcp_options_received tmp_opt;  
    const u8 *hash_location;  
    struct request_sock *req;  
    struct inet_request_sock *ireq;  
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);  
    struct dst_entry *dst = NULL;  
    __be32 saddr = ip_hdr(skb)->saddr;  
    __be32 daddr = ip_hdr(skb)->daddr;  
    __u32 isn = TCP_SKB_CB(skb)->when;  
    bool want_cookie = false;  
  
    /* Never answer to SYNs send to broadcast or multicast. 
     * 忽略广播、多播的SYN段。 
     */  
    if (skb_rtable(skb)->rt_flags & (RTCF_BROADCAST | RTCF_MULTICAST))  
        goto drop;  
  
    /* 如果半连接队列满了 
     * when变量在tcp_v4_rcv()中置0。 
     */  
    if (inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk) && ! isn) {  
  
       /* 判断是直接丢弃,还是使用SYN Cookie */  
        want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, "TCP");  
  
        if (! want_cookie)  
            goto drop; /* 如果不允许使用SYN Cookie,则直接丢弃 */  
    }  
  
    /* Accept backlog is full. If we have already queued enough of warm entries in 
     * syn queue, drop request. It is better than clogging syn queue with openreqs with 
     * exponentially increasing timeout. 
     */  
    /* 如果全连接队列满了,且有未重传过的半连接,则直接丢弃SYN请求 */  
    if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1)  
        goto drop;  
  
    /* 从缓存块中分配一个request_sock实例,指定此实例的操作函数集为tcp_request_sock_ops */  
    req = inet_reqsk_alloc(&tcp_request_sock_ops);   
    if (! req)  
        goto drop;  
  
#ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG  
    tcp_rsk(req)->af_specific = &tcp_request_sock_ipv4_ops;  
#endif  
  
    tcp_clear_options(&tmp_opt); /* 清零TCP选项 */  
    tmp_opt.mss_clamp = TCP_MSS_DEFAULT; /* 默认的MSS为536 */  
    tmp_opt.user_mss = tp->rx_opt.user_mss; /* mss requested by user in ioctl */  
    tcp_parse_options(skb, &tmp_opt, &hash_location, 0, NULL); /* 全面解析TCP选项,并保存 */  
  
     /* 注意这部分实现的是:TCP Cookie Transaction (TCPCT) 选项。 
      * TCPCT选项在2013年3月从内核代码中移除了! 
      * 这个选项是在2009年加入的,功能类似于SYN Cookie。 
      */  
    if (tmp_opt.cookie_plus > 0 && tmp_opt.saw_tstamp && ! tp->rx_opt.cookie_out_never &&  
         (sysctl_tcp_cookie_size > 0 || (tp->cookie_values != NULL &&  
           tp->cookie_values->cookie_desired > 0))) {  
        u8 *c;  
        u32 *mess = &tmp_ext.cookie_bakery[COOKIE_DIGEST_WORDS];  
        int l = tmp_opt.cookie_plus - TCPOLEN_COOKIE_BASE; /* Cookie长度 */  
  
        if (tcp_cookie_generator(&tmp_ext.cookie_bakery[0]) != 0)  
            goto drop_and_release;  
  
        /* Secret recipe starts with IP addresses */  
        *mess++ ^= (__force u32) daddr;  
        *mess++ ^= (__force u32) saddr;  
  
        /* plus variable length Initiator Cookie */  
        c = (u8 *) mess;  
        while (l-- > 0)  
            *c++ ^= *hash_location++;  
  
        want_cookie = false; /* not our kind of cookie */  
        tmp_ext.cookie_out_never = 0; /* false */  
        tmp_ext.cookie_plus = tmp_opt.cookie_plus;  
    } else if (! tp->rx_opt.cookie_in_always) {  
        /* redundant indications, but ensure initialization. */  
        tmp_ext.cookie_out_never = 1; /* true */  
        tmp_ext.cookie_plus = 0;  
    } else {  
        goto drop_and_release;  
    }  
  
    tmp_ext.cookie_in_always = tp->rx_opt.cookie_in_always;  
    /* Code above have already been removed in mainstream. */      
  
    /* 如果启用了SYN Cookie,且连接不使用TIMESTAMP选项 */  
    if (want_cookie && ! tmp_opt.saw_tstamp)  
        tcp_clear_options(&tmp_opt); /* 清零TCP选项 */  
  
    tmp_opt.tstamp_ok = tmp_opt.saw_tstamp;  
  
    /* 初始化连接请求块,保存连接信息 */  
    tcp_openreq_init(req, &tmp_opt, skb);  
    ireq->loc_addr = daddr; /* 本端IP地址 */  
    ireq->rmt_addr = saddr; /* 对端IP地址 */  
    ireq->no_srccheck = inet_sk(sk)->transparent;  
    ireq->opt = tcp_v4_save_options(sk, skb); /* 保存IP选项 */  
  
    if (security_inet_conn_request(sk, skb, req)) /* SELinux相关 */  
        goto drop_and_free;  
   
    /* 如果没使用SYN Cookie,或者使用了TIMESTAMP选项 */  
    if (! want_cookie || tmp_opt.tstamp_ok)  
        TCP_ECN_create_request(req, skb); /* 判断连接是否要启用ECN */  
  
    if (want_cookie) { /* 如果使用SYN Cookie */  
        isn = cookie_v4_init_sequence(sk, skb, &req->mss); /* 计算Cookie的值 */  
        req->cookie_ts = tmp_opt.tstamp_ok;  
  
    } else if (! isn) {  
        struct flowi4 fl4;  
  
        /* VJ's idea. We save last timestamp seen from destination in peer table, 
         * when entering state TIME-WAIT, and check against it before accepting new 
         * connection request. 
         * If isn is not zero, this request hit alive timewait bucket, so that all the necessary 
         * checks are made in the function processing timewait state. 
         */  
        /* TIME-WAIT状态检查,要确定是否PAWS */  
        if (tmp_opt.saw_tstamp && tcp_death_row.sysctl_tw_recycle &&  
            (dst = inet_csk_route_req(sk, &fl4, req)) != NULL && fl4.daddr = saddr) {  
            if (! tcp_peer_is_proven(req, dst, true)) {  
                NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_PAWSPASSIVEREJECTED);  
                goto drop_and_release;  
            }  
        } else if (! sysctl_tcp_syncookies &&   
             (sysctl_max_syn_backlog - inet_csk_reqsk_queue_len(sk) < (sysctl_max_syn_backlog >> 2))  
                && ! tcp_peer_is_proven(req, dst, false)) {  
            /* Without syncookies last quarter of backlog is filled with destinations, proven to be alive. 
             * It means that we continue to communicate to destinations, already remembered to the 
             * moment of synflood. 
             */  
            LIMIT_NETDEBUG(KERN_DEBUG pr_fmt("drop open request from %pI4/%u\n"), &saddr,  
                          ntohs(tcp_hdr(skb)->source));  
        }  
  
        isn = tcp_v4_init_sequence(skb); /* 本端的初始序列号 */  
    }  
  
    tcp_rsk(req)->snt_isn = isn; /* 保存本端的初始序列号 */  
    tcp_rsk(req)->snt_synack = tcp_time_stamp; /* 记录SYNACK的发送时间 */  
  
    /* 发送SYNACK包,如果使用SYN Cookie则不把这个req链接到半连接队列中 */  
    if (tcp_v4_send_synack(sk, dst, req, (struct request_values *)&tmp_ext,   
              skb_get_queue_mapping(skb), want_cookie) || want_cookie)  
        goto drop_and_free;  
  
    /* 把连接请求块链入半连接队列,设置超时时间,启动定时器 */  
    inet_csk_reqsk_queue_hash_add(sk, req, TCP_TIMEOUT_INIT);  
    return 0;  
  
drop_and_release:  
    dst_release(dst);  
  
drop_and_free:  
    reqsk_free(req);  
  
drop:  
    return 0;  
}  

 

队列长度

 

判断半连接队列是否满了。

[java]
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static inline int inet_csk_reqsk_queue_is_full(const struct sock *sk)  
{  
    return reqsk_queue_is_full(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue);  
}  

半连接队列的最大长度为:2^max_qlen_log。

[java]
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static inline int reqsk_queue_is_full(const struct request_sock_queue *queue)  
{  
    return queue->listen_opt->qlen >> queue->listen_opt->max_qlen_log;  
}  

判断全连接队列是否满了,全连接队列的最大长度为:sk->sk_max_ack_backlog。

[java]
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static inline bool sk_acceptq_is_full(const struct sock *sk)  
{  
    return sk->sk_ack_backlog > sk->sk_max_ack_backlog;  
}  

获取未重传过SYNACK的半连接个数。

[java]
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static inline int inet_csk_reqsk_queue_young(const struct sock *sk)  
{  
    return reqsk_queue_len_young(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue);  
}  
  
static inline int reqsk_queue_len_young(const struct requst_sock_queue *queue)  
{  
    return queue->listen_opt->qlen_young;  
}   

 

初始序列号

 

根据源IP、目的IP、源端口、目的端口计算出本端的初始序列号isn。

[java]
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static inline __u32 tcp_v4_init_sequence(const struct sk_buff *skb)  
{  
    return secure_tcp_sequence_number(ip_hdr(skb)->daddr, ip_hdr(skb)->saddr,   
                            tcp_hdr(skb)->dest, tcp_hdr(skb)->source);  
}  
  
__u32 secure_tcp_sequence_number(__be32 saddr, __be32 daddr, __be16 sport, __be16 dport)  
{  
    u32 hash[MD5_DIGEST_WORDS];  
  
    hash[0] = (__force u32) saddr;  
    hash[1] = (__force u32) daddr;  
    hash[2] = ((__force u16) sport << 16) + (__force u16) dport;  
    hash[3] = net_secret[15]; /* 获取一个随机数 */  
  
    md5_transform(hash, net_secret); /* 计算MD5值 */  
   
    return seq_scale(hash[0]);  
}  

[java]
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#define MD5_DIGEST_WORDS 4  
#define MD5_MESSAGE_BYTES 64  
  
static u32 net_secret[MD5_MESSAGE_BYTES / 4] __cacheline_aligned;  
  
static int __init net_secret_init(void)  
{  
    get_random_bytes(net_secret, sizeof(net_secret)); /* 随机获取 */  
    return 0;  
}  
  
/* 
 * This function is the exported kernel interface. 
 * It returns some number of good random numbers, suitable for key generation, 
 * seeding TCP sequence numbers, etc. It does not use the hw random number 
 * generator, if available; use get_random_bytes_arch() for that. 
 */  
void get_random_bytes(void *buf, int bytes) {};  
  
static u32 seq_scale(u32 seq)  
{  
    return seq + (ktime_to_ns(ktime_get_real()) >> 6);  
}  

最终使用MD5。

Message Digest Algorithm 5,消息摘要算法第五版。是一种散列函数,用于提供消息的完整性保护。

除了MD5外,比较著名的还有SHA1。

void md5_transform(__u32 *hash, __u32 const *in) {}
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