从Linux源码看Socket(TCP)的listen及连接队列

前言

笔者一直觉得如果能知道从应用到框架再到操作系统的每一处代码，是一件Exciting的事情。 今天笔者就来从Linux源码的角度看下Server端的Socket在进行listen的时候到底做了哪些事情(基于Linux 3.10内核)，当然由于listen的backlog参数和半连接hash表以及全连接队列都相关，在这一篇博客里也一块讲了。

Server端Socket需要Listen

众所周知，一个Server端Socket的建立，需要socket、bind、listen、accept四个步骤。

今天笔者就聚焦于Listen这个步骤。

代码如下:

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);

    }

    // 这边就是我们今天的聚焦点listen

    call_err=listen(sockfd_server,MAX_BACK_LOG);

    if(call_err == -1){

        fprintf(stdout,"listen error!\n");

        exit(1);

    }

}

首先我们通过socket系统调用创建了一个socket，其中指定了SOCK_STREAM,而且最后一个参数为0，也就是建立了一个通常所有的TCP Socket。在这里，我们直接给出TCP Socket所对应的ops也就是操作函数。

如果你想知道上图中的结构是怎么来的，可以看下笔者以前的博客:

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

Listen系统调用

好了，现在我们直接进入Listen系统调用吧。

#include <sys/socket.h>

// 成功返回0,错误返回-1,同时错误码设置在errno

int listen(int sockfd, int backlog);

注意，这边的listen调用是被glibc的INLINE_SYSCALL装过一层，其将返回值修正为只有0和-1这两个选择，同时将错误码的绝对值设置在errno内。

这里面的backlog是个非常重要的参数，如果设置不好，是个很隐蔽的坑。

对于java开发者而言，基本用的现成的框架，而java本身默认的backlog设置大小只有50。这就会引起一些微妙的现象，这个在本文中会进行讲解。

接下来，我们就进入Linux内核源码栈吧

listen

    |->INLINE_SYSCALL(listen......)

        |->SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)

            /* 检测对应的描述符fd是否存在，不存在，返回-BADF

            |->sockfd_lookup_light

            /* 限定传过来的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对于我们传进来的backlog值做了一次调整，让其无法>内核参数设置中的somaxconn。

inet_listen

接下来就是核心调用程序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的逻辑

            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;

    ......

}

从这段代码中，第一个有意思的地方就是,listen这个系统调用可以重复调用！第二次调用的时候仅仅只能修改其backlog队列长度(虽然感觉没啥必要)。

首先，我们看下除fastopen之外的逻辑(fastopen以后开单章详细讨论)。也就是最后的inet_csk_listen_start调用。

int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, const int nr_table_entries)

{

    ......

    // 这里的nr_table_entries即为调整过后的backlog

    // 但是在此函数内部会进一步将nr_table_entries = min(backlog,sysctl_max_syn_backlog)这个逻辑

    int rc = reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue, nr_table_entries);

    ......

    inet_csk_delack_init(sk);

    // 设置socket为listen状态

    sk->sk_state = TCP_LISTEN;

    // 检查端口号

    if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->inet_num)){

        // 清除掉dst cache

        sk_dst_reset(sk);

        // 将当前sock链入listening_hash

        // 这样，当SYN到来的时候就能通过__inet_lookup_listen函数找到这个listen中的sock

        sk->sk_prot->hash(sk);

    }

    sk->sk_state = TCP_CLOSE;

    __reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);

    // 端口已经被占用，返回错误码-EADDRINUSE

    return -EADDRINUSE;

}

这里最重要的一个调用sk->sk_prot->hash(sk),也就是inet_hash,其将当前sock链入全局的listen hash表，这样就可以在SYN包到来的时候寻找到对应的listen sock了。如下图所示:

如图中所示，如果开启了SO_REUSEPORT的话，可以让不同的Socket listen(监听)同一个端口，这样就能在内核进行创建连接的负载均衡。在Nginx 1.9.1版本开启了之后，其压测性能达到3倍!

半连接队列hash表和全连接队列

在笔者一开始翻阅的资料里面,都提到。tcp的连接队列有两个，一个是sync_queue,另一个accept_queue。但笔者仔细阅读了一下源码，其实并非如此。事实上，sync_queue其实是个hash表(syn_table)。另一个队列是icsk_accept_queue。

所以在本篇文章里面，将其称为reqsk_queue(request_socket_queue的简称)。

在这里，笔者先给出这两个queue在三次握手时候的出现时机。如下图所示:

当然了，除了上面提到的qlen和sk_ack_backlog这两个计数器之外，还有一个qlen_young,其作用如下:

qlen_young: 

记录的是刚有SYN到达，

没有被SYN_ACK重传定时器重传过SYN_ACK

同时也没有完成过三次握手的sock数量

如下图所示:

至于SYN_ACK的重传定时器在内核中的代码为下面所示:

static void tcp_synack_timer(struct sock *sk)

{

    inet_csk_reqsk_queue_prune(sk, TCP_SYNQ_INTERVAL,

                   TCP_TIMEOUT_INIT, TCP_RTO_MAX);

}

这个定时器在半连接队列不为空的情况下，以200ms(TCP_SYNQ_INTERVAL)为间隔运行一次。限于篇幅，笔者就在这里不多讨论了。

为什么要存在半连接队列

因为根据TCP协议的特点，会存在半连接这样的网络攻击存在，即不停地发SYN包，而从不回应SYN_ACK。如果发一个SYN包就让Kernel建立一个消耗极大的sock，那么很容易就内存耗尽。所以内核在三次握手成功之前，只分配一个占用内存极小的request_sock，以防止这种攻击的现象，再配合syn_cookie机制，尽量抵御这种半连接攻击的风险。

半连接hash表和全连接队列的限制

由于全连接队列里面保存的是占用内存很大的普通sock，所以Kernel给其加了一个最大长度的限制。这个限制为:

下面三者中的最小值

1.listen系统调用中传进去的backlog

2./proc/sys/inet/ipv4/tcp_max_syn_backlog

3./proc/sys/net/core/somaxconn 

即min(backlog,tcp_ma_syn_backlog,somaxcon)

如果超过这个somaxconn会被内核丢弃，如下图所示:

这种情况的连接丢弃会发生比较诡异的现象。在不设置tcp_abort_on_overflow的时候,client端无法感知，就会导致即在第一笔调用的时候才会知道对端连接丢弃了。

那么，怎么让client端在这种情况下感知呢，我们可以设置一下tcp_abort_on_overflow

echo '1' > tcp_abort_on_overflow

设置后，如下图所示:

当然了，最直接的还是调大backlog!

listen(fd,2048)

echo '2048' > /proc/sys/inet/ipv4/tcp_max_syn_backlog

echo '2048' > /proc/sys/net/core/somaxconn

backlog对半连接队列的影响

这个backlog对半连接队列也有影响，如下代码所示:

    /* TW buckets are converted to open requests without

     * limitations, they conserve resources and peer is

     * evidently real one.

     */

    // 在开启SYN cookie的情况下，如果半连接队列长度超过backlog，则发送cookie

    // 否则丢弃

    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.

     */

    // 在全连接队列满的情况下，如果有young_ack，那么直接丢弃

    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;

    }

我们在dmesg里面经常看到的

Possible SYN flooding on port 8080

就是由于半连接队列满以后，Kernel发送cookie校验而导致。

总结

TCP作为一个古老而又流行的协议，在演化了几十年后，其设计变得相当复杂。从而在出问题的时候变得难于分析，这时候就要reading the fucking source code!而笔者也正是写这篇博客而详细阅读源码的时候偶然间灵光一闪，找到了最近一个诡异问题的根因。这个诡异问题的分析过程将会在近期写出来分享给大家。

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