网络协议栈基础知识回顾

网络分层

各网络分层协议的举例

网络分层的目的

网络分层目的:因为网络环境过于复杂，不是一个能够集中控制的体系。全球数以亿计的服务器和设备各有各的体系，但是都可以通过同一套网络协议栈通过切分成多个层次和组合，来满足不同服务器和设备的通信需求。

举例:一个数据包的发送

网络分层后，交换机只需要实现二层，路由器只需要实现二三层。

各层作用简介

以陆运运送货物为例子，类比网络分层的作用，此处片面的描述作用范围。

经过三层转发时，每次源目的mac全部会变更，而源目的ip是肯定不会变的。
首先货物要包装好，然后发件人填写发件人的名字和收件人的名字（源目的端口号）,填写收件人和发件人的地址(源目的ip)，查看离自己最近的网点(比如某xx驿站)的地址把货物送出(默认路由和目的mac)，货物会从网点出发，经过一个个中转站，最终把货物送达最后一个中转站，然后由中转站又到达了某某网点，快递员配送到收件人手中。

延伸-ip地址,有类,无类,cidr

ABCDE类ip地址
网络号主机号
可变长子网掩码
cidr

socket实现分析

操作系统选择对于网络协议的实现模式是，二到四层的处理代码在内核里面，七层的处理代码让应用自己去做，两者需要跨内核态和用户态通信，就需要一个系统调用完成这个衔接，这就是 Socket。

tcp/udp回顾

两个传输层协议的区别:

• TCP 是面向连接的，UDP 是面向无连接的。
• TCP 提供可靠交付，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达；UDP 不提供可靠交付，不保证不丢失，不保证按顺序到达。
• TCP 是面向字节流的，发送时发的是一个流，没头没尾；UDP 是面向数据报的，一个一个地发送。
• TCP 是可以提供流量控制和拥塞控制的，既防止对端被压垮，也防止网络被压垮。

问题:

1. 所谓的连接，容易让人误以为，使用 TCP 会使得两端之间的通路和使用 UDP 不一样，那我们会在沿途建立一条线表示这个连接吗？
2. 我从中国访问美国网站，中间这么多环节，我怎么保证连接不断呢？
3. 中间有个网络管理员拔了一根网线不就断了吗？我不能控制它，它也不会通知我，我一个个人电脑怎么能够保持连接呢？
4. 还让我做流量控制和拥塞控制，我既管不了中间的链路，也管不了对端的服务器呀，我怎么能够做到？
5. 按照网络分层，TCP 和 UDP 都是基于 IP 协议的，IP 都不能保证可靠，说丢就丢，TCP 怎么能够保证呢？
6. IP 层都是一个包一个包地发送，TCP 怎么就变成流了？

解答:
1.连接代表一种状态，不是和广域网通信中电路交换一样有一条专用线路，实际tcp无法决定中间经过的线路。所谓的连接，就是两端数据结构状态的协同，两边的状态能够对得上。
2和3.符合 TCP 协议的规则，就认为连接存在；两面状态对不上，连接就算断了，所以中间环节的通断不代表tcp的通断
4.流量控制和拥塞控制其实就是根据收到的对端的网络包，调整两端数据结构的状态。TCP 协议的设计理论上认为，这样调整了数据结构的状态，就能进行流量控制和拥塞控制了，其实在通路上是不是真的做到了，谁也管不着。
5.所谓的可靠，也是两端的数据结构做的事情。不丢失其实是数据结构在“点名”，顺序到达其实是数据结构在“排序”，面向数据流其实是数据结构将零散的包，按照顺序捏成一个流发给应用层。总而言之，“连接”两个字让人误以为功夫在通路，其实功夫在两端。
6.在上层接收者的角度，tcp的报文是流的形式。

socket编程回顾

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket 函数用于创建一个 socket 的文件描述符，唯一标识一个 socket。
socket 函数有三个参数，这里我们只讨论tcp/udp相关的。

• domain：表示使用什么 IP 层协议。AF_INET 表示 IPv4，AF_INET6 表示 IPv6。
• type：表示 socket 类型。SOCK_STREAM，顾名思义就是 TCP 面向流的，SOCK_DGRAM 就是 UDP 面向数据报的，SOCK_RAW 可以直接操作 IP 层。
• protocol 表示的协议，包括 IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP。
  返回值为句柄
  通信结束后，我们还要像关闭文件一样，关闭 socket。

TCP编程回顾

相关的系统API接口如下

UDP编程回顾

差异

可以看到udp通信，没有listen-accept-connect，但是都有socket,bind，发送接收。udp不存在客户端和服务端的概念，大家就都是客户端，也同时都是服务端。

socket相关接口实现浅析

用户态与内核态通信的最常用的方法就是系统调用，这里以socket系列函数为切入点，来学习内核的相关知识。

sokcet实现解析

创建socket的三个参数

在创建 Socket 的时候，有三个参数。
一个是 family，表示地址族。第二个参数是 type，也即 Socket 的类型。第三个参数是 protocol，是协议。协议数目是比较多的，也就是说，多个协议会属于同一种类型。
接下来对这三个参数简单看一下。
首先是地址族

/* Supported address families. */
#define AF_UNSPEC	0
#define AF_UNIX		1	/* Unix domain sockets 		*/
#define AF_LOCAL	1	/* POSIX name for AF_UNIX	*/
#define AF_INET		2	/* Internet IP Protocol 	*/
...
#define AF_ATMPVC	8	/* ATM PVCs			*/
#define AF_X25		9	/* Reserved for X.25 project 	*/
#define AF_INET6	10	/* IP version 6			*/
...
#define AF_NETLINK	16
#define AF_ROUTE	AF_NETLINK /* Alias to emulate 4.4BSD */
#define c	17	/* Packet family		*/
...
#define AF_ATMSVC	20	/* ATM SVCs			*/
...
#define AF_ISDN		34	/* mISDN sockets 		*/
...
#define AF_MAX		41	/* For now.. */

其中比较常见的比如代表IPV4和IPV6的AF_INET及AF_INET6，以及常用的域套接字AF_UNIX以及netlink的AF_NETLINK，还有二层的AF_PACKET;其中也有可能是广域网传输协议的ATM，X.25，ISDN等，他们都是广域网的基于分组交换的传输协议。像其中AF_ATMPVC为ATM的永久虚电路，AF_ATMSVC为交换虚电路。
接下来是socket类型

/**
 * enum sock_type - Socket types
 * @SOCK_STREAM: stream (connection) socket
 * @SOCK_DGRAM: datagram (conn.less) socket
 * @SOCK_RAW: raw socket
 * @SOCK_RDM: reliably-delivered message
 * @SOCK_SEQPACKET: sequential packet socket
 * @SOCK_DCCP: Datagram Congestion Control Protocol socket
 * @SOCK_PACKET: linux specific way of getting packets at the dev level.
 *		  For writing rarp and other similar things on the user level.
 *
 * When adding some new socket type please
 * grep ARCH_HAS_SOCKET_TYPE include/asm-* /socket.h, at least MIPS
 * overrides this enum for binary compat reasons.
 */
enum sock_type {
	SOCK_STREAM	= 1,
	SOCK_DGRAM	= 2,
	SOCK_RAW	= 3,
	SOCK_RDM	= 4,
	SOCK_SEQPACKET	= 5,
	SOCK_DCCP	= 6,
	SOCK_PACKET	= 10,
};

解释如下:
SOCK_STREAM： 提供面向连接的稳定数据传输，流式传输。
SOCK_DGRAM： 使用不连续不可靠的数据包连接。
SOCK_SEQPACKET： 提供连续可靠的数据包连接。
SOCK_RAW： 提供原始网络协议存取。
SOCK_RDM： 提供可靠的数据包连接。
SOCK_DCCP: 数据报拥塞控制协议(Datagram Congestion Control Protocol)
SOCK_PACKET： 与网络驱动程序直接通信。
最后看下协议，先看inet4的:

/* Standard well-defined IP protocols.  */
enum {
  IPPROTO_IP = 0,		/* Dummy protocol for TCP		*/
#define IPPROTO_IP		IPPROTO_IP
  IPPROTO_ICMP = 1,		/* Internet Control Message Protocol	*/
#define IPPROTO_ICMP		IPPROTO_ICMP
  IPPROTO_IGMP = 2,		/* Internet Group Management Protocol	*/
#define IPPROTO_IGMP		IPPROTO_IGMP
  IPPROTO_IPIP = 4,		/* IPIP tunnels (older KA9Q tunnels use 94) */
...
  IPPROTO_RAW = 255,		/* Raw IP packets			*/
#define IPPROTO_RAW		IPPROTO_RAW
  IPPROTO_MAX
};

其实对于协议，每种协议族可能是不同的，比如netlink的protocol:

#define NETLINK_ROUTE		0	/* Routing/device hook				*/
#define NETLINK_UNUSED		1	/* Unused number				*/
#define NETLINK_USERSOCK	2	/* Reserved for user mode socket protocols 	*/
...
#define MAX_LINKS 32	

再比如unix socket，更是限定了只能是0或者PF_UNIX。

socket函数定义及其参数

socket函数在内核中的定义为:

    SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
    {
        //code
    }

Linux的系统调用在内核中的入口函数都是 sys_xxx ，因此socket的调用应该是:

    asmlinkage long sys_socket(int, int, int);

真正定义代码不是sys_socket的原因可以参考之前系统初始化章节讲述的内容。简单来说，内核通过复杂的宏定义做了转换。这里只需要知道，在用户态调用socket后，后续就会陷入内核态来执行sys_socket就行了，也就是SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)这个宏所定义的函数。

接着看代码：

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
  int retval;
  struct socket *sock;
  int flags;
......
  if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
    flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

  retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
......
  retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
......
  return retval;
}

Socket 系统调用会调用 sock_create 创建一个 struct socket 结构，然后通过 sock_map_fd 和文件描述符对应起来。
下面分两步看socket的实现，即socket结构的创建与和文件描述符的关联。

创建socket结构体

前面提到的sock_create实际调用了__sock_create。

int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res)
{
	return __sock_create(current->nsproxy->net_ns, family, type, protocol, res, 0);
}

代码主要逻辑如下:

int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol,
       struct socket **res, int kern)
{
  int err;
  struct socket *sock;
  const struct net_proto_family *pf;
......
  /*
  *	Allocate the socket and allow the family to set things up. if
  *	the protocol is 0, the family is instructed to select an appropriate
  *	default.
  */
  sock = sock_alloc();
......
  sock->type = type;//类型在此处赋值
......
  pf = rcu_dereference(net_families[family]); 
......
  err = pf->create(net, sock, protocol, kern);
......
  *res = sock;

  return 0;
}

可以看到代码中首先分配了一个 struct socket 结构。然后从net_families取了个net_proto_family类型的结构体的指指针用来初始化刚创建的socket结构体，最后返回回去。
在此处，所有类型的地址族都会在net_families中注册对应的结构体成员，并在此处可以用前面看过的family的参数取出注册的内容。
其结构体定义如下:

struct net_proto_family {
	int		family;
	int		(*create)(struct net *net, struct socket *sock,
				  int protocol, int kern);
	struct module	*owner;
};

如上代码所述，实际调用的就是里面的create函数指针。
这里以几种常见协议族为例，看下注册的内容:

static const struct net_proto_family inet_family_ops = {
	.family = PF_INET,
	.create = inet_create,
	.owner	= THIS_MODULE,
};

static const struct net_proto_family netlink_family_ops = {
	.family = PF_NETLINK,
	.create = netlink_create,
	.owner	= THIS_MODULE,	/* for consistency 8) */
};

static const struct net_proto_family packet_family_ops = {
	.family =	PF_PACKET,
	.create =	packet_create,
	.owner	=	THIS_MODULE,
};

static const struct net_proto_family unix_family_ops = {
	.family = PF_UNIX,
	.create = unix_create,
	.owner	= THIS_MODULE,
};

再以PF_INET为例看下注册，sock_register其实就是把ops注册到数组中去了:

	/*
	 *	Tell SOCKET that we are alive...
	 */

	(void)sock_register(&inet_family_ops);

继续看inet_create的实现，只列出关键实现:

static int inet_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol, int kern)
{
  struct sock *sk;
  struct inet_protosw *answer;
  struct inet_sock *inet;
  struct proto *answer_prot;
  unsigned char answer_flags;
  int try_loading_module = 0;
  int err;

  sock->state = SS_UNCONNECTED;//初始化socket状态
  
  /* Look for the requested type/protocol pair. */
lookup_protocol:
  list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list) {
    err = 0;
    /* Check the non-wild match. */
    if (protocol == answer->protocol) {//比较是否是用户指定的协议
      if (protocol != IPPROTO_IP)
        break;
    } else {
      /* Check for the two wild cases. */
      if (IPPROTO_IP == protocol) {
        protocol = answer->protocol;
        break;
      }
      if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
        break;
    }
    err = -EPROTONOSUPPORT;
  }
......
  sock->ops = answer->ops;//赋值
  answer_prot = answer->prot;
  answer_flags = answer->flags;
......
  sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot, kern);//会在内部将answer_prot赋值给sk
......
  inet = inet_sk(sk);
  inet->nodefrag = 0;
  if (SOCK_RAW == sock->type) {
    inet->inet_num = protocol;//在这里指定协议
    if (IPPROTO_RAW == protocol)
      inet->hdrincl = 1;
  }
  inet->inet_id = 0;
  sock_init_data(sock, sk);//将sk状态初始化为TCP_CLOSE

  sk->sk_destruct     = inet_sock_destruct;
  sk->sk_protocol     = protocol;
  sk->sk_backlog_rcv = sk->sk_prot->backlog_rcv;

  inet->uc_ttl  = -1;
  inet->mc_loop  = 1;
  inet->mc_ttl  = 1;
  inet->mc_all  = 1;
  inet->mc_index  = 0;
  inet->mc_list  = NULL;
  inet->rcv_tos  = 0;

  if (inet->inet_num) {
    inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);
    /* Add to protocol hash chains. */
    err = sk->sk_prot->hash(sk);
  }

  if (sk->sk_prot->init) {
    err = sk->sk_prot->init(sk);
  }
......
}

inetsw是一个数组，里面存储了各种socket类型对应的链表，链表中存储了inet_protosw结构体。
这里需要注意的是，可能是因为AF_INET协议族较为复杂，所以才使用了数组inetsw来存储inet的特定类型的特定协议的answer，然后从answer中取得ops,prot等。像unix socket,netlink socket,packet socket等， 都是直接从一个全局结构体变量取就可以了。
在inet_create 的 list_for_each_entry_rcu 循环中，会从 inetsw 数组中，根据 type 找到属于这个类型的列表，然后依次比较列表中的 struct inet_protosw 的 protocol 是不是用户指定的 protocol；如果是，就得到了符合用户指定的 family->type->protocol 的 struct inet_protosw *answer 对象。
而这个inet_protosw是在哪注册的呢？是在inet_init中注册的：

static int __init inet_init(void)
{
	struct inet_protosw *q;
	struct list_head *r;
	int rc = -EINVAL;
...
	/* Register the socket-side information for inet_create. */
	for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
		INIT_LIST_HEAD(r);

	for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
		inet_register_protosw(q);

...

上面的INIT_LIST_HEAD是给数组中每个类型的链表初始化，而后调用inet_register_protosw,将 inetsw_array 注册到 inetsw 数组里面去，即inetsw中按类型分链表，每个链表存储了同一类型的不同协议的inet_protosw结构体。而inetsw_array内容如下:

/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into
 * the linked list inetsw.
 */
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
	{
		.type =       SOCK_STREAM,
		.protocol =   IPPROTO_TCP,
		.prot =       &tcp_prot,
		.ops =        &inet_stream_ops,
		.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
			      INET_PROTOSW_ICSK,
	},

	{
		.type =       SOCK_DGRAM,
		.protocol =   IPPROTO_UDP,
		.prot =       &udp_prot,
		.ops =        &inet_dgram_ops,
		.flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },

       {
		.type =       SOCK_DGRAM,
		.protocol =   IPPROTO_ICMP,
		.prot =       &ping_prot,
		.ops =        &inet_dgram_ops,
		.flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       },

       {
	       .type =       SOCK_RAW,
	       .protocol =   IPPROTO_IP,	/* wild card */
	       .prot =       &raw_prot,
	       .ops =        &inet_sockraw_ops,
	       .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

回到inet_create的代码，接下来，struct socket *sock 的 ops 成员变量，被赋值为 answer 的 ops。对于 TCP 来讲，就是 inet_stream_ops。后面任何用户对于这个 socket 的操作，都是通过 inet_stream_ops 进行的。

const struct proto_ops inet_stream_ops = {
	.family		   = PF_INET,
	.owner		   = THIS_MODULE,
	.release	   = inet_release,
	.bind		   = inet_bind,
	.connect	   = inet_stream_connect,
	.socketpair	   = sock_no_socketpair,
	.accept		   = inet_accept,
	.getname	   = inet_getname,
	.poll		   = tcp_poll,
	.ioctl		   = inet_ioctl,
	.listen		   = inet_listen,
	.shutdown	   = inet_shutdown,
	.setsockopt	   = sock_common_setsockopt,
	.getsockopt	   = sock_common_getsockopt,
	.sendmsg	   = inet_sendmsg,
	.recvmsg	   = inet_recvmsg,
	.mmap		   = sock_no_mmap,
	.sendpage	   = inet_sendpage,
	.splice_read	   = tcp_splice_read,
#ifdef CONFIG_COMPAT
	.compat_setsockopt = compat_sock_common_setsockopt,
	.compat_getsockopt = compat_sock_common_getsockopt,
	.compat_ioctl	   = inet_compat_ioctl,
#endif
};

接下来，创建一个 struct sock *sk 对象。需要注意的是socket和sock这两个变量，socket 和 sock 看起来几乎一样，容易让人混淆，这里需要说明一下，socket 是用于负责对上给用户提供接口，并且和文件系统关联。而 sock，负责向下对接内核网络协议栈。
在 sk_alloc 函数中，struct inet_protosw *answer 结构的 tcp_prot 赋值给了 struct sock *sk 的 sk_prot 成员。tcp_prot 的定义如下，里面定义了很多的函数，都是 sock 之下内核协议栈的动作。

struct proto tcp_prot = {
	.name			= "TCP",
	.owner			= THIS_MODULE,
	.close			= tcp_close,
	.connect		= tcp_v4_connect,
	.disconnect		= tcp_disconnect,
	.accept			= inet_csk_accept,
	.ioctl			= tcp_ioctl,
	.init			= tcp_v4_init_sock,
	.destroy		= tcp_v4_destroy_sock,
	.shutdown		= tcp_shutdown,
	.setsockopt		= tcp_setsockopt,
	.getsockopt		= tcp_getsockopt,
	.recvmsg		= tcp_recvmsg,
	.sendmsg		= tcp_sendmsg,
...
};

因此很多ops调用的函数实际最后调用的是prot中的函数。比如ops中的recvmsg函数:

int inet_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
		 size_t size, int flags)
{
	struct sock *sk = sock->sk;
	int addr_len = 0;
	int err;

	sock_rps_record_flow(sk);

	err = sk->sk_prot->recvmsg(iocb, sk, msg, size, flags & MSG_DONTWAIT,
				   flags & ~MSG_DONTWAIT, &addr_len);
	if (err >= 0)
		msg->msg_namelen = addr_len;
	return err;
}

总的来说，proto_ops结构完成了从与协议无关的套接口层到协议相关的传输层的转接，而proto结构又将传输层映射到网络层。
回到 inet_create 函数中，接下来创建一个 struct inet_sock 结构，这个结构一开始就是 struct sock，然后扩展了一些其他的信息，剩下的代码就填充这些信息。这一幕我们会经常看到，将一个结构放在另一个结构的开始位置，然后扩展一些成员，通过对于指针的强制类型转换，来访问这些成员。

关联文件描述符

接下来看sock_map_fd函数:

static int sock_map_fd(struct socket *sock, int flags)
{
	struct file *newfile;
	int fd = get_unused_fd_flags(flags);
	if (unlikely(fd < 0))
		return fd;

	newfile = sock_alloc_file(sock, flags, NULL);
	if (likely(!IS_ERR(newfile))) {
		fd_install(fd, newfile);//完成文件与进程的关联
		return fd;
	}

	put_unused_fd(fd);
	return PTR_ERR(newfile);
}

这里可以看到，先获取了一个未使用的文件句柄，然后创建一个socket文件，最后使用fd_install来对应，然后将这个fd返回，最终这个fd将返回给用户，至此sokcet创建结束。

bind实现解析

函数原型

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

成功返回0，否则返回-1
bind的实现少一点:

/*
 *	Bind a name to a socket. Nothing much to do here since it's
 *	the protocol's responsibility to handle the local address.
 *
 *	We move the socket address to kernel space before we call
 *	the protocol layer (having also checked the address is ok).
 */

SYSCALL_DEFINE3(bind, int, fd, struct sockaddr __user *, umyaddr, int, addrlen)
{
	struct socket *sock;
	struct sockaddr_storage address;
	int err, fput_needed;

	sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);//根据句柄找到对应的socket
	if (sock) {
		err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, &address);
		if (err >= 0) {
			err = security_socket_bind(sock,
						   (struct sockaddr *)&address,
						   addrlen);
			if (!err)
				err = sock->ops->bind(sock,
						      (struct sockaddr *)
						      &address, addrlen);
		}
		fput_light(sock->file, fput_needed);
	}
	return err;
}

在 bind 中，sockfd_lookup_light 会根据 fd 文件描述符，找到 struct socket 结构。然后实际使用copy_from_user将 sockaddr 从用户态拷贝到内核态，然后调用 struct socket 结构里面 ops 的 bind 函数。根据前面创建 socket 的时候的设定，调用的是 inet_stream_ops 的 bind 函数，也即调用 inet_bind。

int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
  struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *)uaddr;
  struct sock *sk = sock->sk;
  struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
  struct net *net = sock_net(sk);
  unsigned short snum;
......
  snum = ntohs(addr->sin_port);
......
  inet->inet_rcv_saddr = inet->inet_saddr = addr->sin_addr.s_addr;//监听的ip地址
  /* Make sure we are allowed to bind here. */
  if ((snum || !inet->bind_address_no_port) &&
      sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
......
  }
  inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);//监听的端口号，赋值在下面说明
  inet->inet_daddr = 0;
  inet->inet_dport = 0;
  sk_dst_reset(sk);
}

bind 里面会调用 sk_prot 的 get_port 函数，也即 inet_csk_get_port 来检查端口是否冲突，是否可以绑定。
在get_port时会调用inet_bind_hash把inet_num设置为用户指定的接口

void inet_bind_hash(struct sock *sk, struct inet_bind_bucket *tb,
      const unsigned short snum)
{
 inet_sk(sk)->inet_num = snum;//用户sport赋值
 sk_add_bind_node(sk, &tb->owners);
 inet_csk(sk)->icsk_bind_hash = tb;
}

如果允许，则会设置 struct inet_sock 的本方的地址 inet_saddr 和本方的端口 inet_sport，对方的地址 inet_daddr 和对方的端口 inet_dport 都初始化为 0。

listen实现解析

原型

int listen(int sockfd, int backlog);

backlog为最大连接数
成功返回0，失败返回-1

/*
 *	Perform a listen. Basically, we allow the protocol to do anything
 *	necessary for a listen, and if that works, we mark the socket as
 *	ready for listening.
 */

SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
{
	struct socket *sock;
	int err, fput_needed;
	int somaxconn;

	sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
	if (sock) {
		somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
		if ((unsigned int)backlog > somaxconn)//请求队列最大长度
			backlog = somaxconn;

		err = security_socket_listen(sock, backlog);
		if (!err)
			err = sock->ops->listen(sock, backlog);

		fput_light(sock->file, fput_needed);
	}
	return err;
}

在 listen 中，我们还是通过 sockfd_lookup_light，根据 fd 文件描述符，找到 struct socket 结构。接着，我们调用 struct socket 结构里面 ops 的 listen 函数。根据前面创建 socket 的时候的设定，调用的是inet_stream_ops 的 listen 函数，也即调用 inet_listen。

int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)
{
  struct sock *sk = sock->sk;
  unsigned char old_state;
  int err;
  old_state = sk->sk_state;
  /* Really, if the socket is already in listen state
   * we can only allow the backlog to be adjusted.
   */
  if (old_state != TCP_LISTEN) {
    err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
  }
  sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
}

如果这个 socket 还不在 TCP_LISTEN 状态，会调用 inet_csk_listen_start 进入监听状态。

int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, int backlog)
{
  struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
  int err = -EADDRINUSE;

  reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue);

  sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
  sk->sk_ack_backlog = 0;
  inet_csk_delack_init(sk);

  sk_state_store(sk, TCP_LISTEN);
  if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->inet_num)) {
......
  }
......
}

首先，我们遇到的是 icsk_accept_queue。它是干什么的呢？
在 TCP 的状态里面，有一个 listen 状态，当调用 listen 函数之后，就会进入这个状态，虽然我们写程序的时候，一般要等待服务端调用 accept 后，等待在哪里的时候，让客户端就发起连接。其实服务端一旦处于 listen 状态，不用 accept，客户端也能发起连接。其实 TCP 的状态中，没有一个是否被 accept 的状态，那 accept 函数的作用是什么呢？
在内核中，为每个 Socket 维护两个队列。一个是已经建立了连接的队列，这时候连接三次握手已经完毕，处于 established 状态；一个是还没有完全建立连接的队列，这个时候三次握手还没完成，处于 new_syn_rcvd 的状态。
服务端调用 accept 函数，其实是在第一个队列中拿出一个已经完成的连接进行处理。如果还没有完成就阻塞等待。这里的 icsk_accept_queue 就是第一个队列。因此后面解析accept时就会用到他。
初始化完之后，将 TCP 的状态设置为 TCP_LISTEN，再次调用 get_port 判断端口是否冲突。

accept实现解析

SYSCALL_DEFINE3(accept, int, fd, struct sockaddr __user *, upeer_sockaddr,
		int __user *, upeer_addrlen)
{
	return sys_accept4(fd, upeer_sockaddr, upeer_addrlen, 0);
}

实现:

/*
 *	For accept, we attempt to create a new socket, set up the link
 *	with the client, wake up the client, then return the new
 *	connected fd. We collect the address of the connector in kernel
 *	space and move it to user at the very end. This is unclean because
 *	we open the socket then return an error.
 *
 *	1003.1g adds the ability to recvmsg() to query connection pending
 *	status to recvmsg. We need to add that support in a way thats
 *	clean when we restucture accept also.
 */

SYSCALL_DEFINE4(accept4, int, fd, struct sockaddr __user *, upeer_sockaddr,
		int __user *, upeer_addrlen, int, flags)
{
	struct socket *sock, *newsock;
	struct file *newfile;
	int err, len, newfd, fput_needed;
	struct sockaddr_storage address;
...
	sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
	if (!sock)
		goto out;

	err = -ENFILE;
	newsock = sock_alloc();
	if (!newsock)
		goto out_put;

	newsock->type = sock->type;
	newsock->ops = sock->ops;
...
	newfd = get_unused_fd_flags(flags);
	if (unlikely(newfd < 0)) {
		err = newfd;
		sock_release(newsock);
		goto out_put;
	}
	newfile = sock_alloc_file(newsock, flags, sock->sk->sk_prot_creator->name);
	if (unlikely(IS_ERR(newfile))) {
		err = PTR_ERR(newfile);
		put_unused_fd(newfd);
		sock_release(newsock);
		goto out_put;
	}
...
	err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags);
	if (err < 0)
		goto out_fd;
...
	/* File flags are not inherited via accept() unlike another OSes. */

	fd_install(newfd, newfile);
	err = newfd;

out_put:
	fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
	return err;
out_fd:
	fput(newfile);
	put_unused_fd(newfd);
	goto out_put;
}

accept 函数的实现，印证了 socket 的原理中说的那样，原来的 socket 是监听 socket，这里我们会找到原来的 struct socket，并基于它去创建一个新的 newsock。这才是连接 socket。除此之外，我们还会创建一个新的 struct file 和 fd，并关联到 socket。
这里面还会调用 struct socket 的 sock->ops->accept，也即会调用 inet_stream_ops 的 accept 函数，也即 inet_accept。

/*
 *	Accept a pending connection. The TCP layer now gives BSD semantics.
 */

int inet_accept(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags)
{
	struct sock *sk1 = sock->sk;
	int err = -EINVAL;
	struct sock *sk2 = sk1->sk_prot->accept(sk1, flags, &err);

	if (!sk2)
		goto do_err;
...
	sock_graft(sk2, newsock);//将新的sk和新的sock关联

	newsock->state = SS_CONNECTED;//如果上面accept返回，则变为已连接
...	
}


static inline void sock_graft(struct sock *sk, struct socket *parent)
{
...	
	parent->sk = sk;
	sk_set_socket(sk, parent);
	sk->sk_uid = SOCK_INODE(parent)->i_uid;
...	
}

inet_accept 会调用 struct sock 的 sk1->sk_prot->accept，也即 tcp_prot 的 accept 函数，inet_csk_accept 函数。

/*
 * This will accept the next outstanding connection.
 */
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err)
{
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
	struct request_sock_queue *queue = &icsk->icsk_accept_queue;//这里的队列就是listen中初始化的全连接队列										
	struct sock *newsk;
	struct request_sock *req;
	int error;
...
	/* Find already established connection */
	if (reqsk_queue_empty(queue)) {
		long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);

		/* If this is a non blocking socket don't sleep */
		error = -EAGAIN;
		if (!timeo)
			goto out_err;

		error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
		if (error)
			goto out_err;
	}
	req = reqsk_queue_remove(queue);
	newsk = req->sk;
...
out:
	release_sock(sk);
	if (req)
		__reqsk_free(req);
	return newsk;
...
}

这里用到了前面listen初始化的队列icsk_accept_queue,如果 icsk_accept_queue 为空，则调用 inet_csk_wait_for_connect 进行等待；等待的时候，调用 schedule_timeout，让出 CPU，并且将进程状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE。

/*
 * Wait for an incoming connection, avoid race conditions. This must be called
 * with the socket locked.
 */
static int inet_csk_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo)
{
  struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  DEFINE_WAIT(wait);
  int err;
  for (;;) {
    prepare_to_wait_exclusive(sk_sleep(sk), &wait,
            TASK_INTERRUPTIBLE);
    release_sock(sk);
    if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
      timeo = schedule_timeout(timeo);
    sched_annotate_sleep();
    lock_sock(sk);
    err = 0;
    if (!reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
      break;
    err = -EINVAL;
    if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
      break;
    err = sock_intr_errno(timeo);
    if (signal_pending(current))
      break;
    err = -EAGAIN;
    if (!timeo)
      break;
  }
  finish_wait(sk_sleep(sk), &wait);
  return err;
}

如果再次 CPU 醒来，我们会接着判断 icsk_accept_queue 是否为空，同时也会调用 signal_pending 看有没有信号可以处理。一旦 icsk_accept_queue 不为空，就从 inet_csk_wait_for_connect 中返回，在队列中取出一个 struct sock 对象赋值给 newsk。
因此accept就是检查是否有人连接，如果有就返回一个新的socket。当执行accept后，sk->sk_state仍为TCP_LISTEN
那这个队列什么时候不为空呢？当三次握手结束就可以，因此下面解析的是connect函数的实现。

connect实现解析

connect入口

SYSCALL_DEFINE3(connect, int, fd, struct sockaddr __user *, uservaddr,
    int, addrlen)
{
  struct socket *sock;
  struct sockaddr_storage address;
  int err, fput_needed;
  sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
  err = move_addr_to_kernel(uservaddr, addrlen, &address);
  err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen, sock->file->f_flags);
}

差不多的流程，实际调用 inet_stream_ops 的 connect 函数，也即调用 inet_stream_connect。

/*
 *  Connect to a remote host. There is regrettably still a little
 *  TCP 'magic' in here.
 */
int __inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
        int addr_len, int flags, int is_sendmsg)
{
  struct sock *sk = sock->sk;
  int err;
  long timeo;

  switch (sock->state) {
......
  case SS_UNCONNECTED:
    err = -EISCONN;
    if (sk->sk_state != TCP_CLOSE)//socket刚创建后sk->sk_state被初始化为TCP_CLOSE
      goto out;

    err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
    sock->state = SS_CONNECTING;//设置socket状态为SS_CONNECTING
    break;
  }

  timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);

  if ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {
......
    if (!timeo || !inet_wait_for_connect(sk, timeo, writebias))//非SYC_SEND和SYC_RECV状态后退出
      goto out;

    err = sock_intr_errno(timeo);
    if (signal_pending(current))
      goto out;
  }
    sock->state = SS_CONNECTED;//三次握手完毕，设置socket状态为SS_CONNECTED
}

在inet_create中，state已被初始化为SS_UNCONNECTED，调用 struct sock 的 sk->sk_prot->connect，也即 tcp_prot 的 connect 函数——tcp_v4_connect 函数，用来发送SYC报文并把sk->sk_state设为TCPF_SYN_SENT。这里先把inet_wait_for_connect看完，马上再看tcp_v4_connect ：

static long inet_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo, int writebias)
{
...
	/* Basic assumption: if someone sets sk->sk_err, he _must_
	 * change state of the socket from TCP_SYN_*.
	 * Connect() does not allow to get error notifications
	 * without closing the socket.
	 */
	while ((1 << sk->sk_state) & (TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV)) {
		release_sock(sk);
		timeo = wait_woken(&wait, TASK_INTERRUPTIBLE, timeo);
		lock_sock(sk);
		if (signal_pending(current) || !timeo)
			break;
	}
	remove_wait_queue(sk_sleep(sk), &wait);
	sk->sk_write_pending -= writebias;
	return timeo;
}

这里是在等待不是TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV就会退出。
接下来看下SYC报文的发送，也即tcp_v4_connect。

TCP连接建立处理过程分析

三次握手-客户端发送SYC报文

int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
  struct sockaddr_in *usin = (struct sockaddr_in *)uaddr;
  struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
  struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  __be16 orig_sport, orig_dport;
  __be32 daddr, nexthop;
  struct flowi4 *fl4;
  struct rtable *rt;
......
  nexthop = daddr = usin->sin_addr.s_addr;
......	
  orig_sport = inet->inet_sport;
  orig_dport = usin->sin_port;
  rt = ip_route_connect(fl4, nexthop, inet->inet_saddr,
            RT_CONN_FLAGS(sk), sk->sk_bound_dev_if,
            IPPROTO_TCP,
            orig_sport, orig_dport, sk);//路由查找
......
  tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);//在此处改变状态，即sk->sk_state
  err = inet_hash_connect(tcp_death_row, sk);
  sk_set_txhash(sk);
  rt = ip_route_newports(fl4, rt, orig_sport, orig_dport,
             inet->inet_sport, inet->inet_dport, sk);
  /* OK, now commit destination to socket.  */
  sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4;
  sk_setup_caps(sk, &rt->dst);
    if (likely(!tp->repair)) {
    if (!tp->write_seq)
      tp->write_seq = secure_tcp_seq(inet->inet_saddr,//序列号处理
                   inet->inet_daddr,
                   inet->inet_sport,
                   usin->sin_port);
    tp->tsoffset = secure_tcp_ts_off(sock_net(sk),
             inet->inet_saddr,
             inet->inet_daddr);
  }
  rt = NULL;
......
  err = tcp_connect(sk);//发送SYC报文处理
......
}

在 tcp_v4_connect 函数中，ip_route_connect 其实是做一个路由的选择。为什么呢？因为三次握手马上就要发送一个 SYN 包了，这就要凑齐源地址、源端口、目标地址、目标端口。目标地址和目标端口是服务端的，已经知道源端口是客户端随机分配的，源地址应该用哪一个呢？这时候要选择一条路由，看从哪个网卡出去，就应该填写哪个网卡的 IP 地址。接下来，在调用tcp_connect发送 SYN 之前，我们先将客户端 socket 的状态设置为 TCP_SYN_SENT。然后初始化 TCP 的 seq num，也即 write_seq，然后调用 tcp_connect 进行发送。
继续看tcp_connect：

/* Build a SYN and send it off. */
int tcp_connect(struct sock *sk)
{
  struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  struct sk_buff *buff;
  int err;
......
  tcp_connect_init(sk);
......
  buff = sk_stream_alloc_skb(sk, 0, sk->sk_allocation, true);
......
  tcp_init_nondata_skb(buff, tp->write_seq++, TCPHDR_SYN);//初始化SYC报文
  tcp_mstamp_refresh(tp);
  tp->retrans_stamp = tcp_time_stamp(tp);
  tcp_connect_queue_skb(sk, buff);
  tcp_ecn_send_syn(sk, buff);

  /* Send off SYN; include data in Fast Open. */
  err = tp->fastopen_req ? tcp_send_syn_data(sk, buff) :
        tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);//发送SYC报文
......
  tp->snd_nxt = tp->write_seq;
  tp->pushed_seq = tp->write_seq;
  buff = tcp_send_head(sk);
  if (unlikely(buff)) {
    tp->snd_nxt  = TCP_SKB_CB(buff)->seq;
    tp->pushed_seq  = TCP_SKB_CB(buff)->seq;
  }
......
  /* Timer for repeating the SYN until an answer. */
  inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
          inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);//重复发送SYC直到接收到回复
  return 0;
}

接着回到sock->ops->connect那里，后面调用inet_wait_for_connect 等待服务端的ACK。此时客户端的sk_state为TCP_SYN_SENT。

三次握手-服务端接收SYC，回复SYC-ACK

接下来看服务端的处理，服务端此时处于调用完accept之后的TCP_LISTEN状态。在服务端要接收这个SYC报文，在经过ip_local_deliver_finish后，会调用ip_protocol_deliver_rcu来进行下一步处理，也就是ip层及之上协议的处理，这个函数中通过inet_protos找到对应的handler，具体怎么注册的这里略过，大概调用顺序如下:

对应变量如下：

static const struct net_protocol tcp_protocol = {
	.handler	=	tcp_v4_rcv,
	.err_handler	=	tcp_v4_err,
	.no_policy	=	1,
	.icmp_strict_tag_validation = 1,
};

对于tcp的协议，调用handler，即tcp_v4_rcv进行处理，当还没收到SYC报文时，此时sock->sk_state还处于TCP_LISTEN状态，所以进入如下处理:

int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
...
	if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
		ret = tcp_v4_do_rcv(sk, skb);
		goto put_and_return;
	}
...
}

tcp_v4_do_rcv继续调用tcp_rcv_state_process，

/* The socket must have it's spinlock held when we get
 * here, unless it is a TCP_LISTEN socket.
 *
 * We have a potential double-lock case here, so even when
 * doing backlog processing we use the BH locking scheme.
 * This is because we cannot sleep with the original spinlock
 * held.
 */
int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	struct sock *rsk;

	if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED) { /* Fast path */
...
	}

	if (tcp_checksum_complete(skb))
		goto csum_err;

	if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
		struct sock *nsk = tcp_v4_cookie_check(sk, skb);

		if (!nsk)
			goto discard;
		if (nsk != sk) {
			if (tcp_child_process(sk, nsk, skb)) {
				rsk = nsk;
				goto reset;
			}
			return 0;
		}
	} else
		sock_rps_save_rxhash(sk, skb);

	if (tcp_rcv_state_process(sk, skb)) {
		rsk = sk;
		goto reset;
	}
	return 0;
...
}

因为CONFIG_SYN_COOKIES未开启，tcp_child_process未走到(通过gdb断点确认)，直接执行tcp_rcv_state_process。
顾名思义，tcp_rcv_state_process是用来处理接收一个网络包后引起状态变化的。

int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
  struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
  struct request_sock *req;
  int queued = 0;
  bool acceptable;

  switch (sk->sk_state) {
......
  case TCP_LISTEN:
......
    if (th->syn) {//接收到SYC报文
          acceptable = icsk->icsk_af_ops->conn_request(sk, skb) >= 0;
      if (!acceptable)
        return 1;
      consume_skb(skb);
      return 0;
    }
......
}

目前服务端是处于 TCP_LISTEN 状态的，而且发过来的包是 SYN，因而就有了上面的代码，调用 icsk->icsk_af_ops->conn_request 函数。这个函数是在tcp对应的proto的init函数中赋值的。

icsk->icsk_af_ops = &ipv4_specific;
...
const 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,
	.sk_rx_dst_set	   = inet_sk_rx_dst_set,
	.conn_request	   = tcp_v4_conn_request,//这个函数
	.syn_recv_sock	   = tcp_v4_syn_recv_sock,
	.net_header_len	   = sizeof(struct iphdr),
	.setsockopt	   = ip_setsockopt,
	.getsockopt	   = ip_getsockopt,
	.addr2sockaddr	   = inet_csk_addr2sockaddr,
	.sockaddr_len	   = sizeof(struct sockaddr_in),
	.mtu_reduced	   = tcp_v4_mtu_reduced,
};

因此实际调用的是调用的是 tcp_v4_conn_request。tcp_v4_conn_request 会调用 tcp_conn_request，这个函数也比较长，里面调用了 send_synack，但实际调用的是 tcp_v4_send_synack。

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)
{
...
	req = inet_reqsk_alloc(rsk_ops, sk, !want_cookie);//状态在此改变
	if (!req)
		goto drop;
......
	if (fastopen_sk) {
		...
	} else {//通过gdb确认走此分支
		tcp_rsk(req)->tfo_listener = false;
		if (!want_cookie) {
			req->timeout = tcp_timeout_init((struct sock *)req);
			inet_csk_reqsk_queue_hash_add(sk, req, req->timeout);
		}
		af_ops->send_synack(sk, dst, &fl, req, &foc,
				    !want_cookie ? TCP_SYNACK_NORMAL :
						   TCP_SYNACK_COOKIE,
				    skb);
		if (want_cookie) {
			reqsk_free(req);
			return 0;
		}
	}
......
}

struct request_sock *inet_reqsk_alloc(const struct request_sock_ops *ops,
				      struct sock *sk_listener,
				      bool attach_listener)
{
	struct request_sock *req = reqsk_alloc(ops, sk_listener,
					       attach_listener);

	if (req) {
		struct inet_request_sock *ireq = inet_rsk(req);

		ireq->ireq_opt = NULL;
#if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)
		ireq->pktopts = NULL;
#endif
		atomic64_set(&ireq->ir_cookie, 0);
		ireq->ireq_state = TCP_NEW_SYN_RECV;//ireq状态改变
		write_pnet(&ireq->ireq_net, sock_net(sk_listener));
		ireq->ireq_family = sk_listener->sk_family;
	}

	return req;
}


/*
 *	Send a SYN-ACK after having received a SYN.
 *	This still operates on a request_sock only, not on a big
 *	socket.
 */
static int tcp_v4_send_synack(const struct sock *sk, struct dst_entry *dst,
			      struct flowi *fl,
			      struct request_sock *req,
			      struct tcp_fastopen_cookie *foc,
			      enum tcp_synack_type synack_type,
			      struct sk_buff *syn_skb)
{
	const struct inet_request_sock *ireq = inet_rsk(req);
	struct flowi4 fl4;
	int err = -1;
	struct sk_buff *skb;
	u8 tos;

	/* First, grab a route. */
	if (!dst && (dst = inet_csk_route_req(sk, &fl4, req)) == NULL)
		return -1;
	//构造报文
	skb = tcp_make_synack(sk, dst, req, foc, synack_type, syn_skb);

	if (skb) {
		...
		if (!INET_ECN_is_capable(tos) &&
		    tcp_bpf_ca_needs_ecn((struct sock *)req))
			tos |= INET_ECN_ECT_0;

		rcu_read_lock();
		//发送报文
		err = ip_build_and_send_pkt(skb, sk, ireq->ir_loc_addr,
					    ireq->ir_rmt_addr,
					    rcu_dereference(ireq->ireq_opt),
					    tos);
		rcu_read_unlock();
		err = net_xmit_eval(err);
	}

	return err;
}

具体发送的过程略过，看注释我们能知道，这是收到了 SYN 后，回复一个 SYN-ACK，回复完毕后，服务端处于 TCP_SYN_RECV。

三次握手-客户端接收SYC-ACK，回复ACK

服务端的SYC-ACK发送完毕，看客户端的接收处理,还是tcp_rcv_state_process 函数，只不过由于客户端目前处于 TCP_SYN_SENT 状态，就进入了下面的代码分支。

int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
  struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
  struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
  const struct tcphdr *th = tcp_hdr(skb);
  struct request_sock *req;
  int queued = 0;
  bool acceptable;

  switch (sk->sk_state) {
......
  case TCP_SYN_SENT:
    tp->rx_opt.saw_tstamp = 0;
    tcp_mstamp_refresh(tp);
    queued = tcp_rcv_synsent_state_process(sk, skb, th);
    if (queued >= 0)
      return queued;
    /* Do step6 onward by hand. */
    tcp_urg(sk, skb, th);
    __kfree_skb(skb);
    tcp_data_snd_check(sk);
    return 0;
  }
......
}

static int tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
					 const struct tcphdr *th)
{
...
	if (th->ack) {

...
		tcp_finish_connect(sk, skb);//设置状态为TCP_ESTABLISHED
...
			tcp_send_ack(sk);//回复ack报文
		}
...
	}
...
}

void tcp_finish_connect(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);

	tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
	...
}

tcp_rcv_synsent_state_process 会调用 tcp_send_ack，发送一个 ACK-ACK，发送后客户端处于 TCP_ESTABLISHED 状态。

三次握手-服务端接收ACK报文

//SYC_RECV状态的sock创建
//理解结构复用非常重要！！！！
//前面接收syn后的ireq->ireq_state = TCP_NEW_SYN_RECV; 
//和此处的sk->sk_state == TCP_NEW_SYN_RECV;其实是一个结构体
/*
 *	From tcp_input.c
 */

int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
	...
	if (sk->sk_state == TCP_NEW_SYN_RECV) {
		struct request_sock *req = inet_reqsk(sk);
		bool req_stolen = false;
		struct sock *nsk;
	...
	{
		...
		if (!tcp_filter(sk, skb)) {
			th = (const struct tcphdr *)skb->data;
			iph = ip_hdr(skb);
			tcp_v4_fill_cb(skb, iph, th);
			nsk = tcp_check_req(sk, skb, req, false, &req_stolen);
		}
		...
		if (nsk == sk) {
			reqsk_put(req);
			tcp_v4_restore_cb(skb);
		} else if (tcp_child_process(sk, nsk, skb)) {//走此分支，nsk替代request_sock继续处理
			tcp_v4_send_reset(nsk, skb);
			goto discard_and_relse;
		} else {
			sock_put(sk);
			return 0;//处理ok，返回
		}
	}
	
	...
}


/*
 * Process an incoming packet for SYN_RECV sockets represented as a
 * request_sock. Normally sk is the listener socket but for TFO it
 * points to the child socket.
 *
 * XXX (TFO) - The current impl contains a special check for ack
 * validation and inside tcp_v4_reqsk_send_ack(). Can we do better?
 *
 * We don't need to initialize tmp_opt.sack_ok as we don't use the results
 */

struct sock *tcp_check_req(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
			   struct request_sock *req,
			   bool fastopen, bool *req_stolen)
{
	...
	/* OK, ACK is valid, create big socket and
	 * feed this segment to it. It will repeat all
	 * the tests. THIS SEGMENT MUST MOVE SOCKET TO
	 * ESTABLISHED STATE. If it will be dropped after
	 * socket is created, wait for troubles.
	 */
	child = inet_csk(sk)->icsk_af_ops->syn_recv_sock(sk, skb, req, NULL,
							 req, &own_req);
	if (!child)
		goto listen_overflow;

	if (own_req && rsk_drop_req(req)) {
		reqsk_queue_removed(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue, req);
		inet_csk_reqsk_queue_drop_and_put(sk, req);
		return child;
	}

	sock_rps_save_rxhash(child, skb);
	tcp_synack_rtt_meas(child, req);
	*req_stolen = !own_req;
	return inet_csk_complete_hashdance(sk, child, req, own_req);//从半连接队列删除，添加到全连接队列，下方用gdb确认
	...
	
}


/*
 * The three way handshake has completed - we got a valid synack -
 * now create the new socket.
 */
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)
{
	...
	newsk = tcp_create_openreq_child(sk, req, skb);
	if (!newsk)
		goto exit_nonewsk;
	...
}

/* This is not only more efficient than what we used to do, it eliminates
 * a lot of code duplication between IPv4/IPv6 SYN recv processing. -DaveM
 *
 * Actually, we could lots of memory writes here. tp of listening
 * socket contains all necessary default parameters.
 */
struct sock *tcp_create_openreq_child(const struct sock *sk,
				      struct request_sock *req,
				      struct sk_buff *skb)
{
	struct sock *newsk = inet_csk_clone_lock(sk, req, GFP_ATOMIC);
	...
}


/**
 *	inet_csk_clone_lock - clone an inet socket, and lock its clone
 *	@sk: the socket to clone
 *	@req: request_sock
 *	@priority: for allocation (%GFP_KERNEL, %GFP_ATOMIC, etc)
 *
 *	Caller must unlock socket even in error path (bh_unlock_sock(newsk))
 */
struct sock *inet_csk_clone_lock(const struct sock *sk,
				 const struct request_sock *req,
				 const gfp_t priority)
{
	struct sock *newsk = sk_clone_lock(sk, priority);

	if (newsk) {
		struct inet_connection_sock *newicsk = inet_csk(newsk);

		inet_sk_set_state(newsk, TCP_SYN_RECV);
	...
}

调用流程为:tcp_v4_rcv->tcp_rcv_state_process->tcp_check_req->inet_csk(sk)->icsk_af_ops->syn_recv_sock->tcp_v4_syn_recv_sock->tcp_create_openreq_child
调用栈如下:

#0  tcp_create_openreq_child (sk=sk@entry=0xffff000019188000, req=req@entry=0xffff0000192d6000, skb=skb@entry=0xffff000019185a00) at net/ipv4/tcp_minisocks.c:460
#1  0xffff8000106fc7a0 in tcp_v4_syn_recv_sock (sk=0xffff000019188000, skb=0xffff000019185a00, req=0xffff0000192d6000, dst=0x0, req_unhash=0xffff0000192d6000, own_req=0xffff80001163b66f) at net/ipv4/tcp_ipv4.c:1521
#2  0xffff8000107882bc in tcp_v6_syn_recv_sock (sk=0xffff000019188000, skb=0xffff000019185a00, req=<optimized out>, dst=<optimized out>, req_unhash=<optimized out>, own_req=0xffff80001163b66f) at net/ipv6/tcp_ipv6.c:1216
#3  0xffff8000106ff664 in tcp_check_req (sk=sk@entry=0xffff000019188000, skb=skb@entry=0xffff000019185a00, req=req@entry=0xffff0000192d6000, fastopen=fastopen@entry=false, req_stolen=req_stolen@entry=0xffff80001163b737) at ./include/net/inet_connection_sock.h:147
#4  0xffff8000106fe418 in tcp_v4_rcv (skb=0xffff000019185a00) at net/ipv4/tcp_ipv4.c:1992
...

其中上面还涉及从半连接队列删除添加到全连接队列的流程:

struct sock *inet_csk_complete_hashdance(struct sock *sk, struct sock *child,
					 struct request_sock *req, bool own_req)
{
	if (own_req) {
		inet_csk_reqsk_queue_drop(sk, req);//从半连接队列删除
		reqsk_queue_removed(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue, req);//维护计数
		if (inet_csk_reqsk_queue_add(sk, req, child))//添加到全连接队列
			return child;
	}
	/* Too bad, another child took ownership of the request, undo. */
	bh_unlock_sock(child);
	sock_put(child);
	return NULL;
}
//request_sock放置于icsk_accept_queue，实际承载了新socket的sk
struct sock *inet_csk_reqsk_queue_add(struct sock *sk,
				      struct request_sock *req,
				      struct sock *child)
{
	struct request_sock_queue *queue = &inet_csk(sk)->icsk_accept_queue;

	spin_lock(&queue->rskq_lock);
	if (unlikely(sk->sk_state != TCP_LISTEN)) {
		...
	} else {
		req->sk = child;
		...
		queue->rskq_accept_tail = req;
		...
	}
	spin_unlock(&queue->rskq_lock);
	return child;
}

调用栈如下

Thread 65 hit Breakpoint 15, inet_csk_reqsk_queue_add (sk=sk@entry=0xffff000019188000, req=req@entry=0xffff0000191cb260, child=child@entry=0xffff000014dd9bc0) at ./include/linux/spinlock.h:354
354             raw_spin_lock(&lock->rlock);
(gdb) bt
#0  inet_csk_reqsk_queue_add (sk=sk@entry=0xffff000019188000, req=req@entry=0xffff0000191cb260, child=child@entry=0xffff000014dd9bc0) at ./include/linux/spinlock.h:354
#1  0xffff8000106de0f4 in inet_csk_complete_hashdance (sk=sk@entry=0xffff000019188000, child=child@entry=0xffff000014dd9bc0, req=req@entry=0xffff0000191cb260, own_req=<optimized out>) at net/ipv4/inet_connection_sock.c:998
#2  0xffff8000106ff6a4 in tcp_check_req (sk=sk@entry=0xffff000019188000, skb=skb@entry=0xffff000014c53200, req=req@entry=0xffff0000191cb260, fastopen=fastopen@entry=false, req_stolen=req_stolen@entry=0xffff80001163b737) at net/ipv4/tcp_minisocks.c:786
#3  0xffff8000106fe418 in tcp_v4_rcv (skb=0xffff000014c53200) at net/ipv4/tcp_ipv4.c:1992
...

先看下结构的内容

/* struct request_sock - mini sock to represent a connection request
 */
struct request_sock {
	struct sock_common		__req_common;
#define rsk_refcnt			__req_common.skc_refcnt
#define rsk_hash			__req_common.skc_hash
#define rsk_listener			__req_common.skc_listener
#define rsk_window_clamp		__req_common.skc_window_clamp
#define rsk_rcv_wnd			__req_common.skc_rcv_wnd

	struct request_sock		*dl_next;
	u16				mss;
	u8				num_retrans; /* number of retransmits */
	u8				syncookie:1; /* syncookie: encode tcpopts in timestamp */
	u8				num_timeout:7; /* number of timeouts */
	u32				ts_recent;
	struct timer_list		rsk_timer;
	const struct request_sock_ops	*rsk_ops;
	struct sock			*sk;
	struct saved_syn		*saved_syn;
	u32				secid;
	u32				peer_secid;
	u32				timeout;
};

struct sock {
	/*
	 * Now struct inet_timewait_sock also uses sock_common, so please just
	 * don't add nothing before this first member (__sk_common) --acme
	 */
	struct sock_common	__sk_common;
	...
}

再看下半连接和全连接队列的结构体和函数

//注意两个队列间转移的流程 
//添加全连接inet_csk_reqsk_queue_add 添加半连接inet_csk_reqsk_queue_hash_add
/** struct request_sock_queue - queue of request_socks
 *
 * @rskq_accept_head - FIFO head of established children
 * @rskq_accept_tail - FIFO tail of established children
 * @rskq_defer_accept - User waits for some data after accept()
 *
 */
struct request_sock_queue {
	spinlock_t		rskq_lock;
	u8			rskq_defer_accept;

	u32			synflood_warned;
	atomic_t		qlen;//半连接request_sock数量
	atomic_t		young;

	struct request_sock	*rskq_accept_head;//存储全连接request_sock
	struct request_sock	*rskq_accept_tail;//存储全连接request_sock
	struct fastopen_queue	fastopenq;  /* Check max_qlen != 0 to determine
					     * if TFO is enabled.
					     */
};

回到最开始的tcp_v4_rcv，当nsk!=sk，会调用tcp_child_process

int tcp_child_process(struct sock *parent, struct sock *child,
		      struct sk_buff *skb)
	__releases(&((child)->sk_lock.slock))
{
	int ret = 0;
	int state = child->sk_state;
	...
	
	//没有用户进程读取套接字
	if (!sock_owned_by_user(child)) {
		//使用newsk继续处理
		ret = tcp_rcv_state_process(child, skb);
		/* Wakeup parent, send SIGIO */
		if (state == TCP_SYN_RECV && child->sk_state != state)
			parent->sk_data_ready(parent);
	} else {
		/* Alas, it is possible again, because we do lookup
		 * in main socket hash table and lock on listening
		 * socket does not protect us more.
		 */
		__sk_add_backlog(child, skb);
	}

	bh_unlock_sock(child);
	sock_put(child);
	return ret;
}

继续看tcp_rcv_state_process

/*
 *	This function implements the receiving procedure of RFC 793 for
 *	all states except ESTABLISHED and TIME_WAIT.
 *	It's called from both tcp_v4_rcv and tcp_v6_rcv and should be
 *	address independent.
 */

int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	...
	switch (sk->sk_state) {
	case TCP_SYN_RECV:
		...
		tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
		sk->sk_state_change(sk);

		/* Note, that this wakeup is only for marginal crossed SYN case.
		 * Passively open sockets are not waked up, because
		 * sk->sk_sleep == NULL and sk->sk_socket == NULL.
		 */
		if (sk->sk_socket)
			sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_IO, POLL_OUT);
		...
	}
	...
}

调用栈如下:

Thread 65 hit Breakpoint 14, tcp_set_state (sk=sk@entry=0xffff00001918dc80, state=state@entry=1) at net/ipv4/tcp.c:2282
2282            int oldstate = sk->sk_state;
(gdb) bt
#0  tcp_set_state (sk=sk@entry=0xffff00001918dc80, state=state@entry=1) at net/ipv4/tcp.c:2282
#1  0xffff8000106f10f8 in tcp_rcv_state_process (sk=sk@entry=0xffff00001918dc80, skb=skb@entry=0xffff00001900f600) at net/ipv4/tcp_input.c:6403
#2  0xffff8000106feb2c in tcp_child_process (parent=parent@entry=0xffff000019188000, child=child@entry=0xffff00001918dc80, skb=skb@entry=0xffff00001900f600) at net/ipv4/tcp_minisocks.c:838
#3  0xffff8000106fe438 in tcp_v4_rcv (skb=0xffff00001900f600) at net/ipv4/tcp_ipv4.c:2011
...

此时三次握手成功，全连接队列中会放置新的sock，等待被处理。

函数调用总览图

状态变化总览图

linux内核中的面向对象

linux内核有面向对象，可以参考文章
封装
继承 比如各种sock结构体
多态 比如同一个socket创建函数中根据对象不同，调用的creat方法不同

linux内核socket实现变动

socket相关实现在新版本与旧版本有变化，特别是服务端接收ack包的流程，差异特别大
比如tcp_v4_do_rcv 变化较大，半连接队列的存放位置，检查位置均改变。通过新的状态 NEW_SYNC_RECV引入，使半连接队列检查提前。

数据包的发送与接收

数据包发送

数据包接收

报文通过虚拟网卡上送内核协议栈

一般三层交换机的虚接口是通过tun/tap接口实现的，一个vlan包含多个member port，也就是真实的二层口，而一个二层口也可以有多个allowed vlan。

真实的物理口收包后在sdk解包获得vlan id，并通过向tun/tap设备写入来达到上送协议栈的的目的。

内核态在tun_get_user从用户态的缓冲区收包。

转发流程简述

参考资料
Linux原始套接字实现分析
深入理解Linux网络——TCP连接建立过程（三次握手源码详解）
深入理解TCP协议及其源代码