Linux内核网络协议栈7－socket端口管理

一、前情回顾

上一节《socket地址绑定》中提到，应用程序传递过来的端口在内核中需要检查端口是否可用：

if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
    inet->saddr = inet->rcv_saddr = 0;
    err = -EADDRINUSE;
    goto out_release_sock;
}

按照前面的例子来分析，这里是调用了tcp_prot结构变量中的get_prot函数指针，该函数位于net/ipv4/Inet_connection_sock.c中；这个函数比较长，也是我们今天要分析的重点；

二、端口的管理

1、端口管理数据结构

Linux内核将所有socket使用时的端口通过一个哈希表来管理，该哈希表存放在全局变量tcp_hashinfo中，通过tcp_prot变量的h成员引用，该成员是一个联合类型；对于tcp套接字类型，其引用存放在h.hashinfo成员中；下面是tcp_hashinfo的结构体类型：

struct inet_hashinfo {
       struct inet_ehash_bucket  *ehash;
       rwlock_t                     *ehash_locks;
       unsigned int                ehash_size;
       unsigned int                ehash_locks_mask;
 
       struct inet_bind_hashbucket    *bhash;//管理端口的哈希表
       unsigned int                bhash_size;//端口哈希表的大小
 
       struct hlist_head         listening_hash[INET_LHTABLE_SIZE];
       rwlock_t                     lhash_lock ____cacheline_aligned;
       atomic_t                     lhash_users;
       wait_queue_head_t           lhash_wait;
       struct kmem_cache                 *bind_bucket_cachep;//哈希表结构高速缓存
}

端口管理相关的，目前可以只关注加注释的这三个成员，其中bhash为已经哈希表结构，bhash_size为哈希表的大小；所有哈希表中的节点内存都是在bind_bucket_cachep高速缓存中分配；

下面看一下inet_bind_hashbucket结构体：

struct inet_bind_hashbucket {
       spinlock_t            lock;
       struct hlist_head  chain;
};
struct hlist_head {
       struct hlist_node *first;
};
struct hlist_node {
       struct hlist_node *next, **pprev;
};

inet_bind_hashbucket是哈希桶结构，lock成员是用于操作时对桶进行加锁，chain成员是相同哈希值的节点的链表；示意图如下：

2、默认端口的分配

当应用程序没有指定端口时（如socket客户端连接到服务端时，会由内核从可用端口中分配一个给该socket）；

看看下面的代码(参见net/ipv4/Inet_connection_sock.c: inet_csk_get_port()函数)：

if (!snum) {
    int remaining, rover, low, high;
 
    inet_get_local_port_range(&low, &high);
    remaining = (high - low) + 1;
    rover = net_random() % remaining + low;
 
    do {
        head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(rover, hashinfo->bhash_size)];
        spin_lock(&head->lock);
        inet_bind_bucket_for_each(tb, node, &head->chain)
            if (tb->ib_net == net && tb->port == rover)
                goto next;
        break;
    next:
        spin_unlock(&head->lock);
        if (++rover > high)
            rover = low;
    } while (--remaining > 0);
 
    ret = 1;
    if (remaining <= 0)
        goto fail;
 
    snum = rover;
}

这里，随机端口的范围是32768~61000；上面代码的逻辑如下：

1)  从[32768, 61000]中随机取一个端口rover；

2)  计算该端口的hash值，然后从全局变量tcp_hashinfo的哈希表bhash中取出相同哈希值的链表head；

3)  遍历链表head，检查每个节点的网络设备是否和当前网络设置相同，同时检查节点的端口是否和rover相同；

4)  如果相同，表明端口被占用，继续下一个端口；如果和链表head中的节点都不相同，则跳出循环，继续后面的逻辑；

inet_bind_bucket_foreach宏利用《创建socket》一文中提到的container_of宏来实现 的，大家可以自己看看；

3、端口重用

当应用程序指定端口时，参考下面的源代码：

else {
    head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(snum, hashinfo->bhash_size)];
    spin_lock(&head->lock);
    inet_bind_bucket_for_each(tb, node, &head->chain)
        if (tb->ib_net == net && tb->port == snum)
            goto tb_found;
}

此时同样会检查该端口有没有被占用；如果被占用，会检查端口重用（跳转到tb_found）：

tb_found:
       if (!hlist_empty(&tb->owners)) {
              if (tb->fastreuse > 0 &&
                  sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN) {
                     goto success;
              } else {
                     ret = 1;
                     if (inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb))
                            goto fail_unlock;
              }
       }

1)    端口节点结构

struct inet_bind_bucket {
       struct net             *ib_net;//端口所对应的网络设置
       unsigned short            port;//端口号
       signed short         fastreuse;//是否可重用
       struct hlist_node  node;//作为bhash中chain链表的节点
       struct hlist_head  owners;//绑定在该端口上的socket链表
};

前面提到的哈希桶结构中的chain链表中的每个节点，其宿主结构体是inet_bind_bucket，该结构体通过成员node链入链表；

2)    检查端口是否可重用

这里涉及到两个属性，一个是socket的sk_reuse，另一个是inet_bind_bucket的fastreuse；

sk_reuse可以通过setsockopt()库函数进行设置，其值为0或1，当为1时，表示当一个socket进入TCP_TIME_WAIT状态(连接关闭已经完成)后，它所占用的端口马上能够被重用，这在调试服务器时比较有用，重启程序不用进行等待；而fastreuse代表该端口是否允许被重用：

l 当该端口第一次被使用时（owners为空），如果sk_reuse为1且socket状态不为TCP_LISTEN，则设置fastreuse为1，否则设置为0；

l 当该端口同时被其他socket使用时（owners不为空），如果当前端口能被重用，但是当前socket的sk_reuse为0或其状态为TCP_LISTEN，则将fastreuse设置为0，标记为不能重用；

3)    当不能重用时，再次检查冲突

此时会调用inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb)再次检查端口是否冲突；回想《创建socket》一文中提到，创建socket成功后，要使用相应的协议来初始化socket，对于tcp协议来说，其初始化方法是net/ipv4/Tcp_ipv4.c:tcp_v4_init_sock()，其中就做了如下一步的设置：

icsk->icsk_af_ops = &ipv4_specific;
 
struct inet_connection_sock_af_ops ipv4_specific = {
       .queue_xmit    = ip_queue_xmit,
       .send_check          = tcp_v4_send_check,
       .rebuild_header      = inet_sk_rebuild_header,
       .conn_request        = tcp_v4_conn_request,
       .syn_recv_sock     = tcp_v4_syn_recv_sock,
       .remember_stamp        = tcp_v4_remember_stamp,
       .net_header_len     = sizeof(struct iphdr),
       .setsockopt      = ip_setsockopt,
       .getsockopt     = ip_getsockopt,
       .addr2sockaddr      = inet_csk_addr2sockaddr,
       .sockaddr_len        = sizeof(struct sockaddr_in),
       .bind_conflict          = inet_csk_bind_conflict,
#ifdef CONFIG_COMPAT
       .compat_setsockopt = compat_ip_setsockopt,
       .compat_getsockopt = compat_ip_getsockopt,
#endif
};

下面看看这里再次检查冲突的代码：

int inet_csk_bind_conflict(const struct sock *sk,
                        const struct inet_bind_bucket *tb)
{
       const __be32 sk_rcv_saddr = inet_rcv_saddr(sk);
       struct sock *sk2;
       struct hlist_node *node;
       int reuse = sk->sk_reuse;
 
       sk_for_each_bound(sk2, node, &tb->owners) {
              if (sk != sk2 &&
                  !inet_v6_ipv6only(sk2) &&
                  (!sk->sk_bound_dev_if ||
                   !sk2->sk_bound_dev_if ||
                   sk->sk_bound_dev_if == sk2->sk_bound_dev_if)) {
                     if (!reuse || !sk2->sk_reuse ||
                         sk2->sk_state == TCP_LISTEN) {
                            const __be32 sk2_rcv_saddr = inet_rcv_saddr(sk2);
                            if (!sk2_rcv_saddr || !sk_rcv_saddr ||
                                sk2_rcv_saddr == sk_rcv_saddr)
                                   break;
                     }
              }
       }
       return node != NULL;
}

上面函数的逻辑是：从owners中遍历绑定在该端口上的socket，如果某socket跟当前的socket不是同一个，并且是绑定在同一个网络设备接口上的，并且它们两个之中至少有一个的sk_reuse表示自己的端口不能被重用或该socket已经是TCP_LISTEN状态了，并且它们两个之中至少有一个没有指定接收IP地址，或者两个都指定接收地址，但是接收地址是相同的，则冲突产生，否则不冲突。

也就是说，不使用同一个接收地址的socket可以共用端口号，绑定在不同的网络设备接口上的socket可以共用端口号，或者两个socket都表示自己可以被重用，并且还不在TCP_LISTEN状态，则可以重用端口号。

4、新建inet_bind_bucket

当在bhash中没有找到指定的端口时，需要创建新的桶节点，然后挂入bhash中：

tb_not_found:
       ret = 1;
       if (!tb && (tb = inet_bind_bucket_create(hashinfo->bind_bucket_cachep,
                                   net, head, snum)) == NULL)
              goto fail_unlock;
       if (hlist_empty(&tb->owners)) {
              if (sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN)
                     tb->fastreuse = 1;
              else
                     tb->fastreuse = 0;
       } else if (tb->fastreuse &&
                 (!sk->sk_reuse || sk->sk_state == TCP_LISTEN))
              tb->fastreuse = 0;
success:
       if (!inet_csk(sk)->icsk_bind_hash)
              inet_bind_hash(sk, tb, snum);

有兴趣的可以自己看看这段代码的实现，这里就不再展开了。