内容简介：曾经有人问我套接字编程中
曾经有人问我套接字编程中 listen 的第二个参数 backlog 是什么意思？多大的值合适？我不假思索地回答它表示服务器可以接受的并发请求的最大值。然而事实真的是这样的吗？
TCP 通过三次握手建立连接的过程应该都不陌生了。从服务器的角度看，它分为以下几步
- 将
TCP状态设置为LISTEN状态，开启监听客户端的连接请求 - 收到客户端发送的
SYN报文后，TCP状态切换为SYN RECEIVED，并发送SYN ACK报文 - 收到客户端发送的
ACK报文后，TCP三次握手完成，状态切换为ESTABLISHED
在 Unix 系统中，开启监听是通过 listen 完成。
int listen(int sockfd, int backlog)
listen 有两个参数，第一个参数 sockfd 表示要设置的套接字，本文主要关注的是其第二个参数 backlog ；
<Unix 网络编程>将其描述为 已完成的连接队列 ( ESTABLISHED )与 未完成连接队列 ( SYN_RCVD )之和的上限。
一般我们将 ESTABLISHED 状态的连接称为 全连接 ，而将 SYN_RCVD 状态的连接称为 半连接
当服务器收到一个 SYN 后，它创建一个 子连接 加入到 SYN_RCVD 队列。在收到 ACK 后，它将这个 子连接 移动到 ESTABLISHED 队列。最后当用户调用 accept() 时，会将连接从 ESTABLISHED 队列取出。
是 Posix 不是 TCP
listen 只是 posix 标准，不是 TCP 的标准！不是 TCP 标准就意味着不同的内核可以有自己独立的实现
The backlog argument provides a hint to the implementation which the implementation shall use to limit the number of outstanding connections in the socket's listen queue.
Linux 是什么行为呢 ? 查看 listen 的 man page
The behavior of the backlog argument on TCP sockets changed with Linux 2.2. Now it specifies the queue length for completely established sockets waiting to be accepted, instead of the number of incomplete connection requests.
什么意思呢？就是说的在 Linux 2.2 以后, backlog 只限制完成了三次握手，处于 ESTABLISHED 状态等待 accept 的子连接的数目了。
真的是这样吗？于是我决定抄一个小程序验证一下：
服务器监听 50001 端口，并且设置 backlog = 4 。注意，我为了将队列塞满，没有调用 accept 。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#define BACKLOG 4
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd;
int connfd;
struct sockaddr_in servaddr;
listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(50001);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, BACKLOG);
while(1)
{
sleep(1);
}
return 0;
}
客户端的代码
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(50001);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
if (0 != connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)))
{
printf("connect failed!\n");
}
else
{
printf("connect succeed!\n");
}
sleep(30);
return 1;
}
为了排除 syncookie 的干扰，我首先关闭了 syncookie 功能
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies
由于我设置的 backlog = 4 并且服务器始终不会 accept 。因此预期会建立 4 个全连接, 但实际却是
root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# ./client & [1] 12798 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [2] 12799 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [3] 12800 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [4] 12801 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [5] 12802 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [6] 12803 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [7] 12804 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [8] 12805 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [9] 12806 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect succeed! ./client & [10] 12807 root@ubuntu-1:/home/user1/workspace/client# connect failed!
看！客户器竟然显示成功建立了 9 次连接！
用 netstat 看看 TCP 连接状态
> netstat -t Active Internet connections (w/o servers) Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55792 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:55792 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:55798 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 1 localhost:55806 localhost:50001 SYN_SENT tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55784 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55794 SYN_RECV tcp 0 0 localhost:55786 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:55800 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55786 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55800 SYN_RECV tcp 0 0 localhost:55784 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55796 SYN_RECV tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55788 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:55794 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:55788 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55790 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:50001 localhost:55798 SYN_RECV tcp 0 0 localhost:55790 localhost:50001 ESTABLISHED tcp 0 0 localhost:55796 localhost:50001 ESTABLISHED
整理一下就是下面这样
[图]
从上面可以看出,一共有 5 条连接对是 ESTABLISHED<->ESTABLISHED 连接, 但还有 4 条连接对是 SYN_RECV<->ESTABLISHED 连接, 这表示对 客户端 三次握手已经完成了,但对 服务器 还没有! 回顾一下 TCP 三次握手的过程,造成这种连接对原因只有可能是 服务器 将 客户端 最后发送的握手 ACK 被丢弃了!
还有一个问题,我明明设置的 backlog 的值是 4 ,可为什么还能建立 5 个连接 ?!
去内核找原因
我实验用的机器内核是 4.4.0
前面提到过 已完成连接队列 和 未完成连接队列 这两个概念, Linux 有这两个队列吗 ? Linux 既有又没有! 说有是因为内核中可以得到两种连接各自的长度; 说没有是因为 Linux 只有 已完成连接队列 实际存在, 而 未完成连接队列 只有长度的记录!
每一个 LISTEN 状态的套接字都有一个 struct inet_connection_sock 结构, 其中的 accept_queue 从名字上也可以看出就是已完成三次握手的子连接队列.只是这个结构里还记录了 半连接 请求的长度!
struct inet_connection_sock {
// code omitted
struct request_sock_queue icsk_accept_queue;
// code omitted
}
struct request_sock_queue {
// code omitted
atomic_t qlen; // 半连接的长度
atomic_t young; // 一般情况, 这个值 = qlen
struct request_sock *rskq_accept_head; // 已完成连接的队列头
struct request_sock *rskq_accept_tail; // 已完成连接的队列尾
// code omitted
};
所以一般情况下连接建立时,服务端的变化过程是这样的:
- 收到
SYN报文,qlen++,young++ - 收到
ACK报文, 三次握手完成,将连接加入accept队列,qlen--,young-- - 用户使用
accept,将连接从accept取出.
再来看内核收到 SYN 握手报文时的处理, 由于我关闭了 syncookie ,所以一旦满足了下面代码中的两个条件之一就会丢弃报文
int tcp_conn_request(struct request_sock_ops *rsk_ops,
const struct tcp_request_sock_ops *af_ops,
struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
if ((net->ipv4.sysctl_tcp_syncookies == 2 ||
inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk)) && !isn) { // 条件1: 半连接 >= backlog
want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, rsk_ops->slab_name);
if (!want_cookie)
goto drop;
}
if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1) { // 条件2: 全连接 > backlog 并且 半连接 > 1
NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);
goto drop;
}
// code omitted
下面是收到 ACK 握手报文时的处理
struct sock *tcp_v4_syn_recv_sock(const struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
struct request_sock *req,
struct dst_entry *dst,
struct request_sock *req_unhash,
bool *own_req)
{
// code omitted
if (sk_acceptq_is_full(sk)) // 全连接 > backlog, 就丢弃
goto exit_overflow;
newsk = tcp_create_openreq_child(sk, req, skb); // 创建子套接字了
// code omitted
}
所以这样就可以解释实验现象了!
- 前 4 个连接请求都可以顺利创建子连接, 全连接队列长度 =
backlog= 4 , 半连接数目 = 0 - 第 5 个连接请求, 由于
sk_acceptq_is_full的判断条件是>而不是>=,所以依然可以建立全连接 - 第 6-9 个连接请求到来时,由于半连接的数目还没有超过
backlog,所以还是可以继续回复SYNACK,但收到ACK后已经不能再创建子套接字了,所以TCP状态依然为SYN_RECV.同时半连接的数目也增加到backlog.而对于客户端,它既然能收到SYNACK握手报文,因此它可以将TCP状态变为ESTABLISHED, - 第 10 个请求到来时, 由于半连接的数目已经达到
backlog,因此,这个SYN报文会被丢弃.
内核的问题
从以上的现象和分析中,我认为内核存在以下问题
-
accept队列是否满的判断用>=比>更合适, 这样才能体现backlog的作用 -
accept队列满了,就应该拒绝半连接了,因为即使半连接握手完成,也无法加入accept队列,否则就会出现SYN_RECV--ESTABLISHED这样状态的连接对!这样的连接是不能进行数据传输的!
问题 2 在16年的 补丁 中已经修改了! 所以如果你在更新版本的内核中进行相同的实验, 会发现客户端只能连接成功 5 次了，当然这也要先关闭 syncookie
但问题 1 还没有修改！ 如果以后修改了，我也不会意外
(完)
REF
以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，也希望大家多多支持 码农网
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