從Linux原始碼看Socket(TCP)的listen及連線佇列

Al發表於2020-10-20
Linux原始碼TCP佇列

從Linux原始碼看Socket(TCP)的listen及連線佇列

前言

筆者一直覺得如果能知道從應用到框架再到作業系統的每一處程式碼，是一件Exciting的事情。 今天筆者就來從Linux原始碼的角度看下Server端的Socket在進行listen的時候到底做了哪些事情(基於Linux 3.10核心)，當然由於listen的backlog引數和半連線hash表以及全連線佇列都相關，在這一篇部落格裡也一塊講了。

Server端Socket需要Listen

眾所周知，一個Server端Socket的建立，需要socket、bind、listen、accept四個步驟。
今天筆者就聚焦於Listen這個步驟。

程式碼如下:

void start_server(){
    // server fd
    int sockfd_server;
    // accept fd 
    int sockfd;
    int call_err;
    struct sockaddr_in sock_addr;
	 ......
    call_err=bind(sockfd_server,(struct sockaddr*)(&sock_addr),sizeof(sock_addr));
    if(call_err == -1){
        fprintf(stdout,"bind error!\n");
        exit(1);
    }
    // 這邊就是我們今天的聚焦點listen
    call_err=listen(sockfd_server,MAX_BACK_LOG);
    if(call_err == -1){
        fprintf(stdout,"listen error!\n");
        exit(1);
    }
}

首先我們通過socket系統呼叫建立了一個socket，其中指定了SOCK_STREAM,而且最後一個引數為0，也就是建立了一個通常所有的TCP Socket。在這裡，我們直接給出TCP Socket所對應的ops也就是操作函式。
codegen
如果你想知道上圖中的結構是怎麼來的，可以看下筆者以前的部落格:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1791017

Listen系統呼叫

好了，現在我們直接進入Listen系統呼叫吧。

#include <sys/socket.h>
// 成功返回0,錯誤返回-1,同時錯誤碼設定在errno
int listen(int sockfd, int backlog);

注意，這邊的listen呼叫是被glibc的INLINE_SYSCALL裝過一層，其將返回值修正為只有0和-1這兩個選擇，同時將錯誤碼的絕對值設定在errno內。
這裡面的backlog是個非常重要的引數，如果設定不好，是個很隱蔽的坑。
對於java開發者而言，基本用的現成的框架，而java本身預設的backlog設定大小隻有50。這就會引起一些微妙的現象，這個在本文中會進行講解。

接下來，我們就進入Linux核心原始碼棧吧

listen
	|->INLINE_SYSCALL(listen......)
		|->SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
			/* 檢測對應的描述符fd是否存在，不存在，返回-BADF
			|->sockfd_lookup_light
			/* 限定傳過來的backlog最大值不超出 /proc/sys/net/core/somaxconn
			|->if ((unsigned int)backlog > somaxconn) backlog = somaxconn
			|->sock->ops->listen(sock, backlog) <=> inet_listen

值得注意的是，Kernel對於我們傳進來的backlog值做了一次調整，讓其無法>核心引數設定中的somaxconn。

inet_listen

接下來就是核心呼叫程式inet_listen了。

int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)
{

	/* Really, if the socket is already in listen state
	 * we can only allow the backlog to be adjusted.
	 *if ((sysctl_tcp_fastopen & TFO_SERVER_ENABLE) != 0 &&
		    inet_csk(sk)->icsk_accept_queue.fastopenq == NULL) {
		    // fastopen的邏輯
			if ((sysctl_tcp_fastopen & TFO_SERVER_WO_SOCKOPT1) != 0)
				err = fastopen_init_queue(sk, backlog);
			else if ((sysctl_tcp_fastopen &
				  TFO_SERVER_WO_SOCKOPT2) != 0)
				err = fastopen_init_queue(sk,
				    ((uint)sysctl_tcp_fastopen) >> 16);
			else
				err = 0;
			if (err)
				goto out;
		}
	if(old_state != TCP_LISTEN) {
	
		err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
	}
	sk->sk_max_ack_backlog =backlog;
	......
}

從這段程式碼中，第一個有意思的地方就是,listen這個系統呼叫可以重複呼叫！第二次呼叫的時候僅僅只能修改其backlog佇列長度(雖然感覺沒啥必要)。

首先，我們看下除fastopen之外的邏輯(fastopen以後開單章詳細討論)。也就是最後的inet_csk_listen_start呼叫。

int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, const int nr_table_entries)
{
	......
	// 這裡的nr_table_entries即為調整過後的backlog
	// 但是在此函式內部會進一步將nr_table_entries = min(backlog,sysctl_max_syn_backlog)這個邏輯
	int rc = reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue, nr_table_entries);
	......
	inet_csk_delack_init(sk);
	// 設定socket為listen狀態
	sk->sk_state = TCP_LISTEN;
	// 檢查埠號
	if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->inet_num)){
		// 清除掉dst cache
		sk_dst_reset(sk);
		// 將當前sock鏈入listening_hash
		// 這樣，當SYN到來的時候就能通過__inet_lookup_listen函式找到這個listen中的sock
		sk->sk_prot->hash(sk);
	}
	sk->sk_state = TCP_CLOSE;
	__reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);
	// 埠已經被佔用，返回錯誤碼-EADDRINUSE
	return -EADDRINUSE;
}

這裡最重要的一個呼叫sk->sk_prot->hash(sk),也就是inet_hash,其將當前sock鏈入全域性的listen hash表，這樣就可以在SYN包到來的時候尋找到對應的listen sock了。如下圖所示:

如圖中所示，如果開啟了SO_REUSEPORT的話，可以讓不同的Socket listen(監聽)同一個埠，這樣就能在核心進行建立連線的負載均衡。在Nginx 1.9.1版本開啟了之後，其壓測效能達到3倍!

半連線佇列hash表和全連線佇列

在筆者一開始翻閱的資料裡面,都提到。tcp的連線佇列有兩個，一個是sync_queue,另一個accept_queue。但筆者仔細閱讀了一下原始碼，其實並非如此。事實上，sync_queue其實是個hash表(syn_table)。另一個佇列是icsk_accept_queue。

所以在本篇文章裡面，將其稱為reqsk_queue(request_socket_queue的簡稱)。
在這裡，筆者先給出這兩個queue在三次握手時候的出現時機。如下圖所示:

當然了，除了上面提到的qlen和sk_ack_backlog這兩個計數器之外，還有一個qlen_young,其作用如下:

qlen_young: 
記錄的是剛有SYN到達，
沒有被SYN_ACK重傳定時器重傳過SYN_ACK
同時也沒有完成過三次握手的sock數量

如下圖所示:

至於SYN_ACK的重傳定時器在核心中的程式碼為下面所示:

static void tcp_synack_timer(struct sock *sk)
{
	inet_csk_reqsk_queue_prune(sk, TCP_SYNQ_INTERVAL,
				   TCP_TIMEOUT_INIT, TCP_RTO_MAX);
}

這個定時器在半連線佇列不為空的情況下，以200ms(TCP_SYNQ_INTERVAL)為間隔執行一次。限於篇幅，筆者就在這裡不多討論了。

為什麼要存在半連線佇列

因為根據TCP協議的特點，會存在半連線這樣的網路攻擊存在，即不停的發SYN包，而從不回應SYN_ACK。如果發一個SYN包就讓Kernel建立一個消耗極大的sock，那麼很容易就記憶體耗盡。所以核心在三次握手成功之前，只分配一個佔用記憶體極小的request_sock，以防止這種攻擊的現象，再配合syn_cookie機制，儘量抵禦這種半連線攻擊的風險。

半連線hash表和全連線佇列的限制

由於全連線佇列裡面儲存的是佔用記憶體很大的普通sock，所以Kernel給其加了一個最大長度的限制。這個限制為:

下面三者中的最小值
1.listen系統呼叫中傳進去的backlog
2./proc/sys/inet/ipv4/tcp_max_syn_backlog
3./proc/sys/net/core/somaxconn 
即min(backlog,tcp_ma_syn_backlog,somaxcon)

如果超過這個somaxconn會被核心丟棄，如下圖所示:

這種情況的連線丟棄會發生比較詭異的現象。在不設定tcp_abort_on_overflow的時候,client端無法感知，就會導致即在第一筆呼叫的時候才會知道對端連線丟棄了。

那麼，怎麼讓client端在這種情況下感知呢，我們可以設定一下tcp_abort_on_overflow

echo '1' > tcp_abort_on_overflow

設定後，如下圖所示:

當然了，最直接的還是調大backlog!

listen(fd,2048)
echo '2048' > /proc/sys/inet/ipv4/tcp_max_syn_backlog
echo '2048' > /proc/sys/net/core/somaxconn

backlog對半連線佇列的影響

這個backlog對半連線佇列也有影響，如下程式碼所示:

	/* TW buckets are converted to open requests without
	 * limitations, they conserve resources and peer is
	 * evidently real one.
	 */
	// 在開啟SYN cookie的情況下，如果半連線佇列長度超過backlog，則傳送cookie
	// 否則丟棄
	if (inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk) && !isn) {
		want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, "TCP");
		if (!want_cookie)
			goto drop;
	}

	/* 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.
	 */
	// 在全連線佇列滿的情況下，如果有young_ack，那麼直接丟棄
	if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1) {
		NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);
		goto drop;
	}

我們在dmesg裡面經常看到的

Possible SYN flooding on port 8080

就是由於半連線佇列滿以後，Kernel傳送cookie校驗而導致。

總結

TCP作為一個古老而又流行的協議，在演化了幾十年後，其設計變的相當複雜。從而在出問題的時候變的難於分析，這時候就要reading the fucking source code!而筆者也正是寫這篇部落格而詳細閱讀原始碼的時候偶然間靈光一閃，找到了最近一個詭異問題的根因。這個詭異問題的分析過程將會在近期寫出來分享給大家。
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