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一、前言
- 在 TCP 连接中,客户端在发起连接请求前会先确定一个客户端的端口,然后用这个端口去和服务器端进行握手建立连接。那么在 Linux 上,客户端的端口到底是如何被确定下来的呢?
- 事实上,我们平时很多遇到的问题都和这个端口选择过程相关,如果能深度理解这个过程,将有助于我们对这些问题进行更深刻理解:
-
- Cannot assign requested address 报错是怎么回事?
-
- 一个客户端的端口可以同时用在两条 TCP 连接上吗?
- 借助一段简单到只有两句的代码说起:
int main() {
fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
connect(fd, ...);
...
}
二、创建 socket
- 客户端在发起连接的时候,需要事先创建一个 socket。在 c 语言中,就是调用 socket 函数,如下:
socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0)
- socket 函数执行完毕后,在用户层视角,可以看到返回一个文件描述符 fd,但在内核中其实是一套内核对象组合,大体结构如下:
- 从上图可以看到,socket 在内核里并不是一个内核对象,而是包含 file、socket、sock 等多个相关内核对象构成,每个内核对象还定义了 ops 操作函数集合,这些内核对象都是在 socket 系统调用执行过程中创建出来的。为了避免喧宾夺主,这里只列出入口代码,详细过程就不展开介绍。
// file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol) {
// 创建 socket、sock 等内核对象,并初始化
sock_create(family, type, protocol, &sock);
// 创建 file 内核对象,申请 fd
sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
......
}
三、connect 发起连接
① connect 调用链展开
- 当在客户端机上调用 connect 函数的时候,事实上会进入到内核的系统调用源码中进行执行:
// file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE3(connect, int, fd, struct sockaddr __user *, uservaddr,
int, addrlen) {
struct socket *sock;
// 根据用户 fd 查找内核中的 socket 对象
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
// 进行 connect
err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
sock->file->f_flags);
...
}
- 从上面的代码可以看出:首先根据用户传入的 fd(文件描述符)来查询对应的 socket 内核对象。了解了上文中的 socket 内核对象结构,据此可以知道接下来 sock->ops->connect 其实调用的是 inet_stream_connect 函数:
// file: ipv4/af_inet.c
int inet_stream_connect(struct socket *sock, ...) {
...
__inet_stream_connect(sock, uaddr, addr_len, flags);
}
int __inet_stream_connect(struct socket *sock, ...) {
struct sock *sk = sock->sk;
switch (sock->state) {
case SS_UNCONNECTED:
err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
sock->state = SS_CONNECTING;
break;
}
...
}
- 刚创建完毕的 socket 的状态就是 SS_UNCONNECTED,所以在 __inet_stream_connect 中的 switch 判断会进入到 case SS_UNCONNECTED 的处理逻辑中。
- 上述代码中 sk 取的是 sock 对象,继续回顾上文中的 socket 的内核数据结构图,可以得知 sk->sk_prot->connect 实际上对应的是 tcp_v4_connect 方法。
- 现在来看 tcp_v4_connect 的代码,它位于 net/ipv4/tcp_ipv4.c:
// file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) {
// 设置 socket 状态为 TCP_SYN_SENT
tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);
// 动态选择一个端口
err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);
// 函数用来根据 sk 中的信息,构建一个完成的 syn 报文,并将它发送出去
err = tcp_connect(sk);
}
- 在 tcp_v4_connect 中终于看到了选择端口的函数,那就是 inet_hash_connect。
② 选择可用端口
- 找到 inet_hash_connect 的源码,来看看到底端口是如何选择出来的:
// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
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);
}
- 这里需要提一下在调用 __inet_hash_connect 时传入的两个重要参数:
-
- inet_sk_port_offset(sk):这个函数是根据要连接的目的 IP 和端口等信息生成一个随机数;
-
- __inet_check_established:检查是否和现有 ESTABLISH 的连接是否冲突的时候用的函数。
- 了解了这两个参数后,继续进入 __inet_hash_connect,这个函数比较长,为了方便理解,先看前面这一段:
// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...) {
// 是否绑定过端口
const unsigned short snum = inet_sk(sk)->inet_num;
// 获取本地端口配置
inet_get_local_port_range(&low, &high);
remaining = (high - low) + 1;
if (!snum) {
// 遍历查找
for (i = 1; i <= remaining; i++) {
port = low + (i + offset) % remaining;
...
}
}
}
- 在这个函数中首先判断了 inet_sk(sk)->inet_num,如果调用过 bind,那么这个函数会选择好端口并设置在 inet_num 上。这里假设没有调用过 bind,所以 snum 为 0。
- 接着调用 inet_get_local_port_range,这个函数读取的是 net.ipv4.ip_local_port_range 这个内核参数,来读取管理员配置的可用的端口范围:
该参数的默认值是 32768 61000,意味着端口总可用的数量是 61000 - 32768 = 28232 个。如果你觉得这个数字不够用,那就修改你的 net.ipv4.ip_local_port_range 内核参数。
- 接下来进入到了 for 循环中,其中 offset 是前面所说的,通过 inet_sk_port_offset(sk) 计算出的随机数,那这段循环的作用就是从某个随机数开始,把整个可用端口范围来遍历一遍,直到找到可用的端口后停止。
- 那么接着来看,如何来确定一个端口是否可以使用呢?
// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...) {
for (i = 1; i <= remaining; i++) {
port = low + (i + offset) % remaining;
// 查看是否是保留端口,是则跳过
if (inet_is_reserved_local_port(port))
continue;
// 查找和遍历已经使用的端口的哈希链表
head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, port,
hinfo->bhash_size)];
inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain) {
// 如果端口已经被使用
if (net_eq(ib_net(tb), net) &&
tb->port == port) {
// 通过 check_established 继续检查是否可用
if (!check_established(death_row, sk,
port, &tw))
goto ok;
}
}
// 未使用的话,直接 ok
goto ok;
}
return -EADDRNOTAVAIL;
ok:
...
}
- 首先判断的是 inet_is_reserved_local_port,这个很简单,就是判断要选择的端口是否在 net.ipv4.ip_local_reserved_ports 中,在的话就不能用(如果因为某种原因不希望某些端口被内核使用,那么就把它们写到 ip_local_reserved_ports 这个内核参数中就行)。
- 整个系统中会维护一个所有使用过的端口的哈希表,它就是 hinfo->bhash,接下来的代码就会在这里进行查找。如果在哈希表中没有找到,那么说明这个端口是可用的,至此端口就算是找到了。
- 遍历完所有端口都没找到合适的,就返回 -EADDRNOTAVAIL,在用户程序上看到的就是 Cannot assign requested address 这个错误,怎么样?是不是很眼熟,有没有?我相信大家都见过它的,对吧?
/* Cannot assign requested address */
#define EADDRNOTAVAIL 99
- 以后当再遇到 Cannot assign requested address 错误,我们应该想到去查一下 net.ipv4.ip_local_port_range 中设置的可用端口的范围是不是太小了。
③ 端口被使用过怎么办?
- 回顾刚才的 __inet_hash_connect, 为了描述简单,我们之前跳过了已经在 bhash 中存在时候的判断,这是由于其一这个过程比较长,其二这段逻辑很有价值:
// file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...) {
for (i = 1; i <= remaining; i++) {
port = low + (i + offset) % remaining;
...
// 如果端口已经被使用
if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == port) {
// 通过 check_established 继续检查是否可用
if (!check_established(death_row, sk, port, &tw))
goto ok;
}
}
}
- port 已经在 bhash 中如果已经存在,就表示有其它的连接使用过该端口;如果 check_established 返回 0,该端口仍然可以接着使用。可能你会有困惑,一个端口怎么可以被用多次呢?
- 回忆下四元组的概念,两对儿四元组中只要任意一个元素不同,都算是两条不同的连接。以下的两条 TCP 连接完全可以同时存在(假设 192.168.1.101 是客户端,192.168.1.100 是服务端)
连接1:192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8090
连接2:192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8091
- check_established 作用就是检测现有的 TCP 连接中是否四元组和要建立的连接四元素完全一致,如果不完全一致,那么该端口仍然可用。这个 check_established 是由调用方传入的,实际上使用的是 __inet_check_established,我们来看它的源码:
// file: net/ipv4/inet_hashtables.c
static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,
struct sock *sk, __u16 lport,
struct inet_timewait_sock **twp)
{
// 找到hash桶
struct inet_ehash_bucket *head = inet_ehash_bucket(hinfo, hash);
// 遍历看看有没有四元组一样的,一样的话就报错
sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->chain) {
if (sk2->sk_hash != hash)
continue;
if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie,
saddr, daddr, ports, dif)))
goto not_unique;
}
unique:
// 要用了,记录,返回 0 (成功)
return 0;
not_unique:
return -EADDRNOTAVAIL;
}
- 该函数首先找到 inet_ehash_bucket,这个和 bhash 类似,只不过是所有 ESTABLISH 状态的 socket 组成的哈希表,然后遍历这个哈希表,使用 INET_MATCH 来判断是否可用。
- INET_MATCH 源码如下:
// include/net/inet_hashtables.h
#define INET_MATCH(__sk, __net, __cookie, __saddr, __daddr, __ports, __dif) \
((inet_sk(__sk)->inet_portpair == (__ports)) && \
(inet_sk(__sk)->inet_daddr == (__saddr)) && \
(inet_sk(__sk)->inet_rcv_saddr == (__daddr)) && \
(!(__sk)->sk_bound_dev_if || \
((__sk)->sk_bound_dev_if == (__dif))) && \
net_eq(sock_net(__sk), (__net)))
- 在 INET_MATCH 中将 __saddr、__daddr、__ports 都进行了比较,当然除了 ip 和端口,INET_MATCH还比较了其它一些东西,所以 TCP 连接还有五元组、七元组之类的说法。为了统一,这里还是沿用四元组的说法:
-
- 如果 MATCH,就是说就四元组完全一致的连接,所以这个端口不可用,也返回 -EADDRNOTAVAIL;
-
- 如果不 MATCH,哪怕四元组中有一个元素不一样,例如服务器的端口号不一样,那么就 return 0,表示该端口仍然可用于建立新连接。
- 所以一台客户端机最大能建立的连接数并不是 65535,只要 server 足够多,单机发出百万条连接没有任何问题。
④ 发起 syn 请求
- 再回到 tcp_v4_connect,这时 inet_hash_connect 已经返回了一个可用端口,接下来就进入到 tcp_connect,如下源码所示:
// file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) {
......
// 动态选择一个端口
err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);
// 函数用来根据 sk 中的信息,构建一个完成的 syn 报文,并将它发送出去
err = tcp_connect(sk);
}
- 到这里,其实就和本文要讨论的主题没有太大的关系,所以只是简单看一下:
// file:net/ipv4/tcp_output.c
int tcp_connect(struct sock *sk) {
// 申请并设置 skb
buff = alloc_skb_fclone(MAX_TCP_HEADER + 15, sk->sk_allocation);
tcp_init_nondata_skb(buff, tp->write_seq++, TCPHDR_SYN);
// 添加到发送队列 sk_write_queue 上
tcp_connect_queue_skb(sk, buff);
// 实际发出 syn
err = tp->fastopen_req ? tcp_send_syn_data(sk, buff) :
tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);
// 启动重传定时器
inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
}
- tcp_connect 主要处理了以下逻辑:
-
- 申请一个 skb,并将其设置为 SYN 包;
-
- 添加到发送队列上;
-
- 调用 tcp_transmit_skb 将该包发出;
-
- 启动一个重传定时器,超时会重发。
四、bind 时端口如何选择
- 在上文中,我们看到 connect 选择端口之前先判断了 inet_sk(sk)->inet_num 有没有值,如果有的话就直接用这个,而会跳过端口选择过程。那么这个值是从哪儿来的呢?其实,它就是在对 socket 使用 bind 时设置的。
- 不只是服务器端,哪怕是对于客户端,也可以对 socket 使用 bind 来绑定 IP 或者端口,如果使用了 bind,那么在 bind 的时候就会确定好端口,并设置到 inet_num 变量中(一般非常不推荐在客户端角色下使用 bind,因为这会打乱 connect 里的端口选择过程)。
- bind 的时候,如果传了端口,那么 bind 就会尝试使用该端口,如果端口号传的是 0 ,那么 bind 有一套独立的选择端口号的逻辑:
// file: net/ipv4/af_inet.c
int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len) {
struct sock *sk = sock->sk;
...
// 用户传入的端口号
snum = ntohs(addr->sin_port);
// 不允许绑定 1024 以下的端口
if (snum && snum < PROT_SOCK &&
!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_BIND_SERVICE))
goto out;
// 尝试确定端口号
if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
inet->inet_saddr = inet->inet_rcv_saddr = 0;
err = -EADDRINUSE;
goto out_release_sock;
}
- 根据上文中的 socket 内核对象,能找到 sk->sk_prot->get_port 实际调用的是 inet_csk_get_port,该函数来尝试确定端口号,如果尝试失败,返回 EADDRINUSE,应用程序将会显示一条错误信息 “Address already in use”。
#define EADDRINUSE 226 /* Address already in use */
- 简单看一下,如果用户没有传入端口(传入的为 0),bind 是怎么选择端口的:
// file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum) {
...
if (!snum) {
inet_get_local_port_range(&low, &high);
remaining = (high - low) + 1;
smallest_rover = rover = net_random() % remaining + low;
do {
if (inet_is_reserved_local_port(rover))
goto next_nolock;
head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, rover,
hashinfo->bhash_size)];
inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
// 冲突检测
if (!inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb, false)) {
snum = rover;
goto tb_found;
}
} while (--remaining > 0);
}
}
- 这段逻辑和 connect 很像,通过 net_random 来从 net.ipv4.ip_local_port_range 指定的端口范围内一个随机位置开始遍历,也会跳开 ip_local_reserved_ports 保留端口配置,通过 inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict 进行冲突检测。
- inet_csk_bind_conflict 这个函数整体比较复杂,不过只需要了解一点就好,该函数和 connect 中端口选择逻辑不同的是,并不会到 ESTABLISH 的哈希表进行可用检测,只在 bind 状态的 socket 里查。所以默认情况下,只要端口用过一次就不会再次使用。
五、结论
- 客户端建立连接前需要确定一个端口,该端口会在两个位置进行确定。
- 第一个位置,也是最主要的确定时机是 connect 系统调用执行过程。
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- 在 connect 的时候,会随机地从 ip_local_port_range 选择一个位置开始循环判断;找到可用端口后,发出 syn 握手包,如果端口查找失败,会报错 “Cannot assign requested address”,这时,应该首先想到去检查一下服务器上的 net.ipv4.ip_local_port_range 参数,是不是可以再放的多一些。
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- 如果因为某种原因不希望某些端口被使用到,那么就把它们写到 ip_local_reserved_ports 这个内核参数中就行了,内核在选择的时候会跳过这些端口。
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- 另外注意即使是一个端口是可以被用于多条 TCP 连接的,所以一台客户端机最大能建立的连接数并不是 65535,只要 server 足够多,单机发出百万条连接没有任何问题。
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- 如下所示,在客户机上实验时的实际截图,来实际看一下一个端口号确实是被用在了多条连接上:
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- 截图中左边的 192 是客户端,右边的 119 是服务器的 ip,可以看到客户端的 10000 这个端口号是用在了多条连接上了的。
- 第二个位置,如果在 connect 之前使用了 bind,将会使得 connect 时的端口选择方式无效,转而使用 bind 时确定的端口。
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- bind 时如果传入了端口号,会尝试首先使用该端口号,如果传入了 0 ,也会自动选择一个。但默认情况下一个端口只会被使用一次,所以对于客户端角色的 socket,不建议使用 bind。
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- 上面的选择端口的都是从 ip_local_port_range 范围中的某一个随机位置开始循环的,如果可用端口很充足,则能快一点找到可用端口,那循环很快就能退出。
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- 假设实际中 ip_local_port_range 中的端口快被用光,这时候内核就大概率得把循环多执行很多轮才能找到,这会导致 connect 系统调用的 CPU 开销的上涨。
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- 所以,最好不要等到端口不够用了才加大 ip_local_port_range 的范围,而是事先就应该保持一个充足的范围。
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