传输层 udptcp
内核版本采用4.9.88
套接字分析
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系统入口要求：每个操作系统都必须提供网络子系统入口及API，Linux内核网络子系统提供标准的POSIX套接字API接口
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用户空间特性：在Linux中传输层之上的一切都属于用户空间，遵循Unix"一切皆为文件"范式
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文件关联性：套接字与文件相关联，使用统一API使应用程序移植更容易
1）套接字类型详解
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SOCK_STREAM流套接字
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通信特性：提供可靠的字节流通信信道
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典型协议：TCP套接字属于流套接字类型
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可靠性表现：保证数据按顺序到达且不重复
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SOCK_DGRAM数据报套接字
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消息交换：支持以数据包为单位的消息交换
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不可靠特性：通信信道不可靠，可能出现丢包、乱序或重复
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典型协议：UDP套接字属于此类型
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风险说明：数据可能被丢弃、不按序到达或重复传输
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SOCK_RAW原始套接字
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访问层级：直接访问IP层，绕过传输层协议
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协议无关性：支持使用协议无关的传输层格式收发数据流
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特殊用途：常用于网络协议开发和分析
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SOCK_RDM可靠消息套接字
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核心特性：提供可靠传输的消息服务
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应用场景：主要用于透明进程间通信(TIPC)
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开发背景：最初由爱立信公司开发用于执行应用程序
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SOCK_SEQPACKET顺序数据包
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连接特性：面向连接，类似SOCK_STREAM
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边界维护：独特之处在于维护记录边界
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识别方式：接收方可通过MSG_EOR标志确定边界
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SOCK_DCCP数据报拥塞控制
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协议定位：传输层协议，兼具TCP和UDP特点
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核心功能：提供不可靠数据报的拥塞控制流
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设计目标：解决数据报传输中的拥塞控制问题
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1）套接字API与内核方法
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内核映射关系：应用层套接字API在内核中对应net/socket.c文件中的系统调用实现
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调用机制：通过SYSCALL_DEFINE2宏定义系统调用，如socketcall处理所有套接字相关操作
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参数传递：使用unsigned long数组存储用户空间传递的参数，通过copy_from_user安全拷贝
2）socket.c文件与内核函数定义
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文件位置：内核源码中位于net/socket.c目录下
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函数前缀：所有套接字系统调用函数都以sys_开头，如sys_socket、sys_bind等
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调用流程：通过switch-case结构分发不同的套接字操作请求
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需阅读源码部分：
3）套接字类型与功能描述
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SOCK_STREAM：提供可靠的字节流通信，TCP套接字属于此类型
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SOCK_DGRAM：支持消息交换但不可靠，UDP套接字属于此类型
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SOCK_RAW：直接访问IP层，支持协议无关的传输层数据收发
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SOCK_RDM：用于透明进程间通信(TIPC)
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SOCK_SEQPACKET：面向连接的顺序数据包流，类似SOCK_STREAM
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SOCK_DCCP：数据报拥塞控制协议，提供不可靠数据报拥塞控制流
4）套接字操作函数
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socket()：创建套接字，类型由参数决定
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bind()：将套接字与本地端口和IP地址关联
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connect()：建立到对等套接字的连接，适用于SOCK_STREAM和SOCK_SEQPACKET类型
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listen()：使套接字能够接收连接请求，不适用于数据报套接字
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accept()：接收套接字连接请求，仅适用于基于连接的套接字类型
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send()/recv()：分别对应消息发送和接收，内核实现为sys_send和sys_recv
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实现机制：每个应用层API调用对应内核中的sys_前缀函数
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参数处理：通过a0,a1等寄存器传递参数，进行安全检查后调用具体实现
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错误处理：返回负值表示错误，如-EINVAL表示无效参数
3. 传输控制协议
1）内核中的套接字结构
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双结构表示：内核中有两个表示套接字的结构体，分别是socket和sock
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源码位置：位于include/linux/net.h文件中，从第104行开始定义
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功能分工：
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socket：面向用户空间提供接口
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sock：面向网络层(L3)提供接口
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2）socket结构的主要成员
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核心成员：
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state：套接字状态（如SS_CONNECTED等）
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type：套接字类型（如SOCK_STREAM等）
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flags：套接字标志（如SOCK_NOSPACE等）
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ops：协议特定的套接字操作，包含套接字回调函数的proto_ops结构
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file：文件反向指针用于垃圾回收，关联的文件结构指针
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sk：内部网络协议无关的套接字表示
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wq：多种用途的等待队列
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源码阅读：
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3）sock结构的网络层位置
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协议无关性：sock结构位于网络层，是与协议无关的结构
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创建关联：创建套接字时会同时创建关联的sock对象
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示例：在IPv4中，调用inet_create方法时会分配sock对象并关联到对应套接字
4）socket与sock的功能区别
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socket功能：
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面向用户空间提供接口
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由sys_socket()方法创建
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sock功能：
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面向网络层(L3)提供接口
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协议无关的结构体
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包含网络层相关操作和数据
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5）socket状态及其取值
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状态枚举：
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SS_FREE = 0：未分配状态
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SS_UNCONNECTED：未连接任何套接字
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SS_CONNECTING：正在连接过程中
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SS_CONNECTED：已连接到套接字
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SS_DISCONNECTING：正在断开连接
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源码阅读：
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典型场景：
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刚创建的INET套接字状态为SS_UNCONNECTED
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流套接字成功连接后状态变为SS_CONNECTED
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6）socket类型及其枚举类型
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类型定义：
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SOCK_STREAM：流式套接字
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SOCK_RAW：原始套接字
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类型特性：
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使用kmemcheck_bitfield_begin/end宏进行类型检查
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类型值存储在short类型的变量中
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7）socket标志与分配方式
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标志作用：表示套接字的特殊属性和状态
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分配方式：
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非系统调用socket分配时直接设置核心标志
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可通过通用try_open方法进行打开操作
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8）socket相关对象与文件
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关联文件：
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file指针：与套接字关联的文件对象
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关联对象：
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sk指针：与套接字关联的sock对象
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提供网络层接口功能
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9）socket操作与回调函数
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操作集合：
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包含connect、listen、sendmsg、recvmsg等回调函数
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实现用户空间接口的多个库级例程
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协议特定：
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每种协议需要自定义proto_ops结构
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不是随意定义的固定结构
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典型回调：
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sendmsg实现send、sendto、sendmsg等功能
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recvmsg实现read、recv、recvfrom、recvmsg等功能
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4. 套接字在网络层中的表示
1）套接字结构
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核心结构：sock结构体是套接字的网络层表示，位于内核源码的include/net/sock.h文件中
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源码阅读位置：建议整个结构体内容都有所了解
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重要成员：
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sk_common：包含套接字的基础公共成员
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sk_lock：套接字锁
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sk_drops：数据包丢弃计数器
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sk_rcvlowat：接收低水位标记
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sk_error_queue：错误队列头
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sk_receive_queue：接收队列头
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实现特点：
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结构体实现代码相当长，包含套接字的所有网络层属性
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与socket结构体相关联，通过struct sock *sk指针连接
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包含数据包队列存储、接收缓冲区大小、各种标志等关键信息
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2）回调函数
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核心成员：
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sk_receive_queue：存储入站数据包的队列
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sk_write_queue：存储出站数据包的队列
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sk_rcvbuf：接收缓冲区大小（单位：字节）
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sk_sndbuf：发送缓冲区大小（单位：字节）
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sk_protocol：协议标识符（8位）
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sk_type：套接字类型（16位）
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关键回调：
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sk_data_ready：通知套接字有新数据到达的回调函数
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sk_write_space：指出可用内存处理数据传输的回调函数
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其他特性：
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sk_no_check_tx：禁用发送校验和标志
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sk_no_check_rx：禁用接收校验和标志
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4）系统调用socket参数与返回值
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参数说明：
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socket_family：地址族（AF_INET/AF_INET6）
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socket_type：套接字类型（SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM/SOCK_RAW）
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protocol：协议类型（IPPROTO_TCP/IPPROTO_UDP）
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返回值：
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返回文件描述符sockfd，用于后续套接字操作
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内核内部调用sys_socket进行处理
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5）msghdr结构体
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核心成员：
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msg_name：目标套接字地址指针，可转换为sockaddr_in结构
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msg_namelen：地址长度
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msg_iter：数据块迭代器
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msg_control：控制信息（辅助数据）指针
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msg_controllen：控制信息长度
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msg_flags：接收消息的标志位
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源码阅读位置：
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使用场景：
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用于用户空间套接字发送/接收数据
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通过sendmsg/recvmsg系统调用处理数据传输
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包含完整的数据块和控制信息
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用户数据包协议
1. UDP报头内核源码
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msg_name字段：指向目标套接字地址的指针，可转换为指向结构sockaddr_in的指针
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msg_namelen字段：表示地址长度
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msg_control字段：用于存储控制信息（辅助数据）
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msg_flags字段：接收到的消息标志位
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cmsg_len字段：数据字节计数，包括头部信息
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cmsg_level字段：标识原始协议
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cmsg_type字段：协议特定类型
1）UDP数据包协议
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source字段：16位源端口号，取值范围1-65535
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dest字段：16位目的端口号，取值范围1-65535
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len字段：表示有效负载和UDP报头的总长度，单位为字节
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check字段：数据包的校验和，用于验证数据完整性
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源码阅读：
2）UDP初始化操作
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初始化操作定义对象并使用方法
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初始化对象：通过定义udp_protocol(net_protocol对象)实现
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添加方法：使用inet_add_protocol()函数进行注册
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关键成员：
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early_demux：设置为udp_v4_early_demux
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handler：设置为udp_rcv处理函数
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err_handler：设置为udp_err错误处理函数
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no_policy：设置为1表示无策略
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netns_ok：设置为1表示支持网络命名空间
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源码阅读：
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2. 套接字的网络层表示
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数据结构：内核中使用struct sock结构体表示套接字
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接收队列：sk_receive_queue存储入站数据包
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缓冲区大小：sk_rcvbuf表示接收缓冲区大小（字节），sk_sndbuf表示发送缓冲区大小
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发送队列：sk_write_queue存储出站数据包
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协议标识：sk_protocol字段标识协议类型
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回调函数：sk_data_ready通知新数据到达，sk_write_space指示可用内存
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系统调用：
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socket()参数：
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socket_family：AF_INET/AF_INET6
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socket_type：SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM/SOCK_RAW
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protocol：IPPROTO_TCP/IPPROTO_UDP
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返回值：返回文件描述符sockfd用于后续操作
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数据传输：通过sendmsg()/recvmsg()处理，使用msghdr对象封装数据
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3. UDP初始化机制
1）协议注册
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核心结构：通过struct net_protocol udp_protocol注册
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处理函数：handler=udp_rcv处理接收数据
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错误处理：err_handler=udp_err处理错误
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特性标志：no_policy=1表示无策略检查，netns_ok=1支持网络命名空间
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初始化流程：
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注册时机：系统启动时通过inet_init_net()初始化
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端口范围：默认本地端口范围32768-60999
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统计信息：为CPU分配统计数据结构（ip_statistics等）
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2）网络层初始化
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关键函数：inet_init_net()执行初始化
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端口锁定：使用seqlock_init初始化ip_local_ports锁
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Ping控制：设置ping_group_range限制ping权限
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默认参数：
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TTL值：IPDEFTTL
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动态地址：sysctl_ip_dynaddr=0
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早期解复用：对TCP/UDP启用（值=1）
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源码阅读：
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实现细节：
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多协议支持：通过inet_add_protocol()注册ICMP/UDP/TCP
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错误处理：失败时输出pr_crit级别日志
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回调机制：如udp_sendmsg()处理UDP数据发送
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源码阅读：这个挺重要的，略微重点阅读
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用户数据包协议内核源码
1）接收L3的UDP数据包
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方法udp_rcv()介绍
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主处理程序：udp_rcv()是Linux内核中负责接收来自网络层(L3)的UDP数据包的核心函数
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调用位置：位于net/ipv4/udp.c文件中，函数签名为int udp_rcv(struct sk_buff *skb)
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嵌套调用：实际工作通过调用udp4_lib_rcv(skb, &udp_table, IPPROTO_UDP)完成，传入UDP协议表和处理协议类型
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udp_rcv()处理流程
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初始化阶段：
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获取socket结构体指针struct sock *sk
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解析UDP头部struct udphdr *uh获取报文长度ulen
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获取路由表项struct rtable *rt = skb_rtable(skb)
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数据包验证：
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检查是否有足够空间存放UDP头部：pskb_may_pull(skb, sizeof(struct udphdr))
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验证报文长度是否合法：ulen > skb->len时跳转到short_packet处理
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初始化校验和：udp4_csum_init(skb, uh, proto)
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套接字查找：
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使用skb_steal_sock(skb)尝试获取关联的socket
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通过__udp4_lib_lookup_skb()在UDP哈希表中查找匹配的套接字
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数据包验证与 处理
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匹配处理：
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找到匹配套接字时：调用udp_queue_rcv_skb(sk, skb)将数据包加入接收队列
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未找到匹配时：检查校验和是否正确，错误则直接丢弃数据包
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异常处理：
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广播/组播数据包：调用__udp4_lib_mcast_deliver()处理
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端口不可达情况：发送ICMP"目的不可达"响应，更新SNMP计数器
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资源释放：
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最终通过kfree_skb()释放SKB缓冲区
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更新内存统计信息：atomic_sub(size, &sk->sk_rmem_alloc)
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完整流程：
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入口函数udp_rcv()接收L3数据包
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调用__udp4_lib_rcv()进行核心处理
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检查是否为组播数据（是则特殊处理）
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在UDP哈希表中查找匹配套接字
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找到匹配则入队，否则校验后发送ICMP响应
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最终释放数据包资源
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TCP分析
1. TCP报头结构主要成员
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源端口与目的端口：
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source：均为16位长度，取值范围1-65535
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dest：源端口对应应用层写的源端口，目的端口标识目标服务
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序列号与确认号：
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seq：序列号(seq)为32位，用于数据包排序
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ack_seq：确认号(ack_seq)为32位，当设置ACK标志时，表示期望收到的下一个数据包序列号
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保留字段：
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res1：4位长度，必须设置为0，为未来协议扩展保留
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数据偏移量：
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doff：4位长度，以4字节为单位表示TCP头长度
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最小值为5（20字节），最大为15（60字节）
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控制标志位：
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FIN(1位)：发送方数据发送完毕，用于关闭连接
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SYN(1位)：用于三次握手建立连接
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RST(1位)：收到非当前连接数据时使用
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PSH(1位)：要求尽快将数据交付用户空间
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ACK(1位)：确认号字段有效
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URG(1位)：紧急指针字段有效
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ECE(1位)：显式拥塞通知，提供网络拥塞反馈
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CWR(1位)：拥塞窗口缩小标志
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窗口大小：
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window：16位长度，表示接收窗口大小（字节单位）
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校验和：
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check：包含TCP头和数据的校验值
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紧急指针：
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urg_ptr:16位长度，仅当URG标志设置时有效
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表示紧急数据相对于序列号的偏移量
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源码阅读：
TCP初始化操作
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核心结构体：
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struct net_protocol：定义传输层协议
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包含ICMP/IGMP协议处理
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桥接网络层和传输层的报文接收流程
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源码阅读：
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关键成员：
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handler：数据包接收处理函数指针
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err_handler：错误报文处理函数
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no_policy：安全策略标志
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初始化流程：
1.定义tcp_protocol对象
2.通过inet_add_protocol()注册协议
3.内核根据协议类型（TCP/UDP/ICMP）调用对应处理函数
4.返回值<0表示注册失败
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源码位置：
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位于net/ipv4/目录下
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TCP实现文件为tcp_ipv4.c
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错误处理：
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当inet_add_protocol()返回错误时
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内核会输出协议添加失败信息
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TCP定时器
1）定时器实现位置
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文件路径: 位于Linux内核的net/ipv4/tcptimer.c文件中
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查找方法: 通过内核源码目录结构可快速定位，IPv4相关实现都在net/ipv4/目录下
2）重传定时器
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核心功能: 负责在指定时间内未得到确认的数据包重传
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触发条件:
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数据包丢失或损坏
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每次数据段发送后自动启动
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终止机制: 定时器到期后若仍未收到确认则取消定时器
3）延迟确认定时器
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作用原理: 推迟发送确认数据包
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适用场景: 当TCP收到需要确认但无需立即确认的数据时启用
4）存活定时器
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检测功能: 检查连接是否已断开
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应用场景: 连接长时间空闲时检测对方状态
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处理机制: 通过tcpsendactivereset()函数重置连接
5）零窗口探测定时器
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别名: 持续定时器(persist timer)
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工作流程:
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接收方缓冲区满时通告零窗口
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发送方停止发送数据
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若包含新窗口大小的数据段丢失，定时器定期探测窗口状态
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终止条件: 当探测到接收方窗口大小不为零时停止
TCP初始化
1）初始化入口
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用户空间调用: 创建SOCK_STREAM类型套接字
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内核处理函数:
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系统调用入口为sys_socket()
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实际回调函数为tcp_v4_init_sock()（IPv6对应tcp_v6_init_sock）
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2）主要初始化任务
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状态设置
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初始状态: 设置为TCP_CLOSE状态
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定时器初始化
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调用函数:tcp_init_xmit_timers()
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作用: 初始化所有TCP定时器模块
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缓冲区设置
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发送缓冲区:sk−>sk_sndbuf默认16,384字节
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接收缓冲区:sk−>sk_rcvbuf默认87,380字节
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队列初始化
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无序队列: 处理非常规数据包
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有序队列: 维护正常数据流顺序
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参数初始化
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包含内容: TCP头部各字段默认值初始化
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典型值: 窗口大小初始化为10等基础参数
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源码阅读:
TCP的连接和拆除
1）状态转换机制
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监听状态: 调用listen()后进入TCP_LISTEN状态
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状态标识: 通过sk−>skstate成员变量表示
2）三次握手过程
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第一次握手
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客户端动作: 发送SYN请求
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状态转换: 进入TCP_SYN_SENT状态
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第二次握手
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服务端响应:
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创建TCP_SYN_RECV状态套接字
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返回SYN_ACK应答
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第三次握手
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客户端确认:
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收到SYN_ACK后进入TCP_ESTABLISHED状态
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发送最终ACK确认
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连接建立
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服务端最终状态: 收到ACK后改为TCP_ESTABLISHED状态
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数据传输: 连接建立完成后即可开始数据传输
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3）数据包接收处理
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核心函数:tcp_v4_rcv()
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源码阅读:
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处理流程:
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完整性检查（包类型、长度等）
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初始化工作
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调用__inet_lookup_skb()查找匹配套接字
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异常处理: 检查失败时直接丢弃数据包
初始化相关问题
1. skb分析
1）数据包丢弃条件
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非本地数据包处理：当数据包不是发送或发往本地的包时，系统会直接丢弃（discard）该数据包
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掩码执行位置：丢弃操作通过1612行的掩码进行处理
2）TCP头部验证
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长度校验：通过PS x/PS KB脉破函数检查包长是否大于TCP头长度
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头部提取：使用th指针取得TCP首部，通过1612行掩码处理
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偏移量验证：检查TCP首部长度与偏移量字段（offset）是否匹配
2. 接收TCP数据包过程
1）数据包查找流程
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socket查找：通过inet_look_up函数查找匹配的socket，若找不到则丢弃数据包
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状态检查：检查socket是否处于半关闭状态（half-closed）
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规则验证：依次检查IPsec规则、MD5哈希校验、BPF校验规则
2）用户态处理
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进程锁定：检查是否有用户态进程对socket进行锁定
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状态保护：当socket被锁定时，其状态不可更改
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队列处理：被锁定的数据包会进入后备处理队列，相关进程进入套接字后备等待队列
3. 发送TCP数据包过程
1）发送初始化
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系统调用：通过send/sendto/sendmsg等系统调用触发
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核心函数：最终由tcp_sendmsg函数处理，将用户空间数据复制到内核空间
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状态检查：验证socket是否处于ESTABLISHED或CLOSE_WAIT状态
2）数据复制流程
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内存分配：分配SKB缓冲区对象存储用户数据
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循环拷贝：通过while循环控制所有用户数据块到内核空间的拷贝
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队列管理：操作发送队列（双向链表）的尾节点进行数据添加
3）错误处理机制
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do_error处理：当部分数据已复制时，仍发送已复制的数据
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wait_for处理：
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snd_buff：发送队列数据达到缓冲区上限时触发
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memory：系统内存不足时触发
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超时处理：内存分配超时跳转到错误处理流程
4）标志位说明
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MSG_MORE：表示本次发送没有后续数据
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TCP_NODELAY：禁用Nagle算法立即发送数据
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SK_MEM_QUERY：内存配额检查标志
总结
1. 套接字分析
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核心概念：套接字(Socket)是网络通信的基础，提供进程间通信的端点
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工作机制：通过IP地址和端口号的组合实现不同主机间的数据传输
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主要功能：建立连接、数据传输、连接释放等网络通信全过程管理
2. 用户数据包协议(UDP)
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协议特点：无连接、不可靠但高效的传输协议
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数据单元：以独立的数据包形式传输，每个包包含完整的目标地址信息
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适用场景：适用于实时性要求高但允许少量丢包的应用，如视频会议、在线游戏等
3. 传输控制协议(TCP)
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协议特点：面向连接、可靠传输的协议
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工作机制：通过三次握手建立连接，四次挥手释放连接
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可靠性保障：采用确认应答、超时重传、流量控制等机制确保数据完整有序传输
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适用场景：适用于要求数据完整性的应用，如文件传输、网页浏览等