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Linux内核传输层DCCP分析

news 来源：原创 2025/5/18 2:45:24

一、数据包拥塞控制协议DCCP

        DCCP 是一种不可靠的拥塞控制传输协议，它借鉴 UDP 和 TCP，并添加新功能，与 UDP 一样，它是面向消息且不可靠的，与 TCP 一样，它是面向连接的，且将使用三次握手机制来建立连接。每个 DCCP 数据包开头都是一个 DCCP 报头。DCCP 报头最短 12 字节。DCCP 使用 12-2020 字节的变长报头，具体长度取决于使用的是否是短序列号以及包含哪些 TLV 数据包选项。

  • 协议定位：DCCP（Datagram Congestion Control Protocol，数据报拥塞控制协议）是传输层协议，核心解决不可靠传输场景下的拥塞控制问题，适用于对实时性要求高但允许部分数据丢失的业务（如流媒体、在线游戏）。
  • 特性融合：
    • 类似 UDP：面向消息，发送方发送的消息边界在接收方会保留；数据传输不可靠，不保证数据包按序到达或不丢失。
    • 类似 TCP：面向连接，通过三次握手机制建立连接，确保通信双方状态同步，提供一定的连接管理能力。
  • 报头特点：
    • DCCP 数据包以 DCCP 报头开头，报头长度可变（12-2020 字节）。最短 12 字节，若使用短序列号或包含类型 - 长度 - 值（TLV）选项（如扩展功能字段），报头会变长，灵活性高，可适配不同场景需求。

1.头部信息dccp_hdr

 

2.DCCP套接字初始化操作

        在用户空间中，使用系统调用socket()来创建DCCP套接字，其中的域参数（SOCK_DCCP）指明要创建的是DCCP套接字。

 

3.接收来自网络层的DCCP数据包

        方法dccp_v4_rcv()是负责接收来着网络层的DCCP数据包的处理程序：

重要步骤：

  1. 数据包有效性检查

    • 通过dccp_invalid_packet(skb)函数检查sk_buff（网络数据缓冲区）承载的 DCCP 数据包是否合法（如报头格式、校验和等）。若无效，执行goto discard_it;直接丢弃数据包，不进行后续处理。

  2. 提取报头信息

    • 从sk_buff中解析出 DCCP 报头（struct dccp_hdr *dh）和 IP 报头（struct iphdr *iph），为后续处理（如连接匹配、数据归属判断）提供基础信息。

  3. 向高层传递数据

    • 验证通过后，DCCP 层会进一步处理数据包（如匹配连接、更新拥塞控制状态等），最终将有效数据从sk_buff中提取，按协议栈向上层（如应用层套接字）传递，完成数据接收流程。

4.发送DCCP数据包

        当从DCCP用户空间套接字发送数据的时候，在内核中，最终由方法dccp_sendmsg()处理：

重要步骤：

  1. 输入参数校验

    • 检查发送数据长度（if (len > dp->dccps_mss_cache)），若超过预设的最大分段大小缓存值，直接返回错误（return -EMSGSIZE），避免无效发送。

  2. sk_buff创建与封装

    • 分配sk_buff缓冲区，用于封装用户空间发送的数据。填充 DCCP 报头字段（如序列号、控制信息等），并整合用户数据到sk_buff中，完成数据包的底层封装。

  3. 协议层处理

    • 处理 DCCP 协议相关逻辑，如拥塞控制（更新发送窗口、记录发送状态等），确保数据包按 DCCP 协议规则发送。

  4. 向网络层传递

    • 封装完成后，通过网络层接口（如 IP 层发送函数）将sk_buff传递给网络层。网络层进一步处理（如添加 IP 报头、路由选择等），最终将数据包发送到物理链路层，完成数据发送流程。

5.用户空间使用DCCP 

dccp_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/dccp.h>

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd, new_sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建DCCP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DCCP, IPPROTO_DCCP);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字到指定地址和端口
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接
    if (listen(sockfd, 5) < 0) {
        perror("listen failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    client_len = sizeof(client_addr);
    // 接受客户端连接
    new_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
    if (new_sockfd < 0) {
        perror("accept failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接收客户端消息
    memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
    ssize_t bytes_received = recv(new_sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);
    if (bytes_received < 0) {
        perror("recv failed");
        close(new_sockfd);
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Received from client: %s\n", buffer);

    // 发送响应给客户端
    const char *response = "Message received!";
    ssize_t bytes_sent = send(new_sockfd, response, strlen(response), 0);
    if (bytes_sent < 0) {
        perror("send failed");
    }

    // 关闭套接字
    close(new_sockfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

dccp_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/dccp.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建DCCP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DCCP, IPPROTO_DCCP);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接到服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 发送消息到服务器
    const char *message = "Hello, server!";
    ssize_t bytes_sent = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
    if (bytes_sent < 0) {
        perror("send failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接收服务器响应
    memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
    ssize_t bytes_received = recv(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);
    if (bytes_received < 0) {
        perror("recv failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Received from server: %s\n", buffer);

    // 关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

编译运行：

6.DCCP和UDP的区别

比较维度DCCP（数据报拥塞控制协议）UDP（用户数据报协议）
连接特性面向连接，使用三次握手机制建立连接，具备一定连接管理能力，数据传输前要建立连接，结束后释放连接无连接，发送数据前无需与接收方建立连接，随时能向目标地址发送数据
可靠性提供一定拥塞控制机制保障数据传输稳定性和有序性，在允许部分数据丢失场景下比 UDP 可靠一些数据传输不可靠，不保证数据包按序到达、不丢失或不重复，接收数据可能存在乱序、丢失等情况，可靠性依赖应用层处理
拥塞控制核心功能是解决不可靠传输场景下的拥塞控制问题，拥塞控制算法可根据网络状况动态调整数据发送速率，避免网络拥塞本身无内置拥塞控制机制，发送方按自身速率发送数据，不管网络状况，可能导致网络拥塞时数据大量丢失或延迟增加
报头特点报头长度可变，最短 12 字节，使用短序列号或包含类型 - 长度 - 值（TLV）选项等会使报头变长，灵活性高，能适配不同场景需求报头固定为 8 字节，包含源端口、目的端口、长度和校验和等字段，结构简单，开销小
适用场景适用于对实时性要求高且允许部分数据丢失的业务，如流媒体、在线游戏等，更侧重于需要一定拥塞控制且对可靠性有一定要求的场景，像高清视频流传输适用于对实时性要求极高、对数据完整性要求相对较低的场景，如实时语音通话、在线游戏中的实时操作指令传输等，允许应用层按需灵活处理数据传输
应用层控制提供连接管理和拥塞控制功能，在一定程度上限制应用层对数据传输的完全控制，开发者需适配其机制几乎将所有控制权力交给应用层，开发者可根据需求在应用层灵活实现各种自定义传输策略
性能开销因有连接建立、拥塞控制等机制，在数据传输过程中会产生更多开销，包括处理时间和额外带宽占用协议简单，无复杂控制机制，性能开销小，传输效率高，能快速发送数据

虽然DCCP比UDP功能更多，但是依旧无法代替UDP，原因如下：

  • 可靠性与实时性的平衡

    • UDP 的优势：UDP 本身具有简单高效的特点，在游戏中，尤其是实时在线游戏，对实时性要求极高。UDP 允许部分数据包丢失，游戏开发者可以根据游戏的具体情况，如动作类游戏中一些非关键的位置信息等，即使丢失部分数据包也不会对游戏体验造成太大影响，同时能保证游戏的流畅运行。
    • DCCP 的不足：DCCP 虽然也适用于允许部分数据丢失的业务，但它毕竟引入了拥塞控制等机制，相对 UDP 来说增加了一定的复杂性和处理时间。在处理实时性要求极高的游戏数据时，可能会因为这些额外的处理而产生一定的延迟，影响游戏的实时性体验。

  • 网络适应性

    • UDP 的优势：UDP 在网络环境复杂多变的情况下，具有很强的适应性。游戏玩家可能处于各种不同的网络环境中，UDP 可以通过应用层的一些简单策略，如丢包重传（针对重要数据包）、帧率调整等，来快速适应网络变化。例如在网络不稳定时，游戏可以降低画面质量或减少非关键数据的传输，保证游戏的基本运行。
    • DCCP 的不足：DCCP 的拥塞控制机制虽然旨在优化网络传输，但在某些复杂网络场景下，可能会过于保守或反应不够迅速。比如在网络瞬间拥塞又快速恢复的情况下，DCCP 的拥塞窗口调整等机制可能无法像 UDP 那样快速让游戏恢复到正常的数据传输速率，导致游戏出现卡顿等现象。

  • 应用层控制的灵活性

    • UDP 的优势：UDP 提供了非常简单的传输机制，几乎把所有的控制权力都交给了应用层。游戏开发者可以根据游戏的具体逻辑和需求，在应用层灵活地实现各种自定义的传输策略。例如，在多人在线射击游戏中，可以根据玩家的操作频率和重要性，动态调整不同类型数据包的发送优先级和频率。
    • DCCP 的不足：DCCP 由于其自身的协议特性，虽然提供了一定的连接管理和拥塞控制功能，但这也在一定程度上限制了应用层对数据传输的完全控制。开发者可能需要花费更多的精力去适配 DCCP 的机制，而不能像使用 UDP 那样可以随心所欲地根据游戏的特殊需求来定制传输方案。

  • 兼容性和部署成本

    • UDP 的优势：UDP 已经在游戏领域得到了广泛的应用和支持，几乎所有的游戏平台和网络环境都对 UDP 有很好的兼容性。游戏开发者在使用 UDP 时，无需担心与各种设备、网络基础设施以及其他游戏组件之间的兼容性问题。
    • DCCP 的不足：DCCP 相对来说应用并不广泛，在游戏领域的生态系统还不够成熟。如果在游戏中使用 DCCP，可能会面临与某些网络设备、防火墙规则以及其他游戏相关技术不兼容的问题。这将增加游戏的部署成本和技术风险，需要投入更多的资源来进行测试和优化。

 

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