Linux核心網路協議棧7 socket埠管理

一、前情回顧

上一節《socket 位址繫結》中提到，應用程式傳遞過來的埠在核心中需要檢查埠是否可用：

if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum))

按照前面的例子來分析，這裡是呼叫了 tcp_prot 結構變數中的 get_prot 函式指標，該函式位於net/ipv4/inet_connection_sock.c 中；這個函式比較長，也是我們今天要分析的重點；

二、埠的管理

1 、埠管理資料結構

linux 核心將所有 socket 使用時的埠通過乙個雜湊表來管理，該雜湊表存放在全域性變數 tcp_hashinfo 中，通過 tcp_prot變數的 h 成員引用，該成員是乙個聯合型別；對於 tcp 套接字型別，其引用存放在 h. hashinfo 成員中；下面是tcp_hashinfo 的結構體型別：

struct inet_hashinfo

埠管理相關的，目前可以只關注加注釋的這三個成員，其中 bhash 為已經雜湊表結構， bhash_size 為雜湊表的大小；所有雜湊表中的節點記憶體都是在 bind_bucket_cachep 快取記憶體中分配；

下面看一下 inet_bind_hashbucket 結構體：

struct inet_bind_hashbucket ;  
struct hlist_head ; 
struct hlist_node ;

inet_bind_hashbucket 是雜湊桶結構， lock 成員是用於操作時對桶進行加鎖， chain 成員是相同雜湊值的節點的鍊錶；示意圖如下：

2 、預設埠的分配

當應用程式沒有指定埠時（如 socket 客戶端連線到服務端時，會由核心從可用埠中分配乙個給該 socket ）；

看看下面的** ( 參見 net/ipv4/inet_connection_sock.c: inet_csk_get_port() 函式 ) ：

if (!snum)  while (--remaining > 0);  
ret = 1; 
if (remaining <= 0) 
goto fail; 
snum = rover; 
}

這裡，隨機埠的範圍是 32768~61000 ；上面**的邏輯如下：

1) 從 [32768, 61000] 中隨機取乙個埠 rover ；

2) 計算該埠的 hash 值，然後從全域性變數 tcp_hashinfo 的雜湊表 bhash 中取出相同雜湊值的鍊錶 head ；

3) 遍歷鍊錶 head ，檢查每個節點的網路裝置是否和當前網路設定相同，同時檢查節點的埠是否和 rover 相同；

4) 如果相同，表明埠被占用，繼續下乙個埠；如果和鍊錶 head 中的節點都不相同，則跳出迴圈，繼續後面的邏輯；

inet_bind_bucket_foreach 巨集利用《建立 socket 》一文中提到的 container_of 巨集來實現的，大家可以自己看看；

3 、埠重用

else

此時同樣會檢查該埠有沒有被占用；如果被占用，會檢查埠重用（跳轉到 tb_found ）：

tb_found:  
if (!hlist_empty(&tb->owners)) else 
}

1) 埠節點結構

struct inet_bind_bucket ;

前面提到的雜湊桶結構中的 chain 鍊錶中的每個節點，其宿主結構體是 inet_bind_bucket ，該結構體通過成員 node 鏈入鍊錶；

2) 檢查埠是否可重用

這裡涉及到兩個屬性，乙個是 socket 的 sk_reuse ，另乙個是 inet_bind_bucket 的 fastreuse ；

sk_reuse 可以通過 setsockopt() 庫函式進行設定，其值為 0 或 1 ，當為 1 時，表示當乙個 socket 進入 tcp_time_wait狀態 ( 連線關閉已經完成 ) 後，它所占用的埠馬上能夠被重用，這在除錯伺服器時比較有用，重啟程式不用進行等待；而fastreuse 代表該埠是否允許被重用：

l 當該埠第一次被使用時（ owners 為空），如果 sk_reuse 為 1 且 socket 狀態不為 tcp_listen ，則設定fastreuse 為 1 ，否則設定為 0 ；

l 當該埠同時被其他 socket 使用時（ owners 不為空），如果當前埠能被重用，但是當前 socket 的 sk_reuse 為0 或其狀態為 tcp_listen ，則將 fastreuse 設定為 0 ，標記為不能重用；

3) 當不能重用時，再次檢查衝突

此時會呼叫 inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb) 再次檢查埠是否衝突；回想《建立 socket 》一文中提到，建立 socket 成功後，要使用相應的協議來初始化 socket ，對於 tcp 協議來說，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設定：

icsk->icsk_af_ops = &ipv4_specific;  
struct inet_connection_sock_af_ops ipv4_specific = ;

下面看看這裡再次檢查衝突的**：

int inet_csk_bind_conflict(const struct sock *sk,const struct inet_bind_bucket *tb)  
} } 
return node != null; 
}

上面函式的邏輯是：從 owners 中遍歷繫結在該埠上的 socket ，如果某 socket 跟當前的 socket 不是同乙個，並且是繫結在同乙個網路裝置介面上的，並且它們兩個之中至少有乙個的 sk_reuse 表示自己的埠不能被重用或該 socket 已經是tcp_listen 狀態了，並且它們兩個之中至少有乙個沒有指定接收 ip 位址，或者兩個都指定接收位址，但是接收位址是相同的，則衝突產生，否則不衝突。

也就是說，不使用同乙個接收位址的 socket 可以共用埠號，繫結在不同的網路裝置介面上的 socket 可以共用埠號，或者兩個 socket 都表示自己可以被重用，並且還不在 tcp_listen 狀態，則可以重用埠號。

4 、新建 inet_bind_bucket

當在 bhash 中沒有找到指定的埠時，需要建立新的桶節點，然後掛入 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)) 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);

有興趣的可以自己看看這段**的實現，這裡就不再展開了。

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核心網路協議棧offload功能盤點

Linux核心網路協議棧8 socket監聽

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