2023-03-01  阅读(279)
原文作者:小林 Coding 原文地址:https://xiaolincoding.com/

早上看到一个读者说面字节三面的时候,问了这个问题:

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这位读者的角度是以为服务端没有调用 listen,客户端会 ping 不通服务器,很明显,搞错了。

ping 使用的协议是 ICMP,属于网络层的事情,而面试官问的是传输层的问题。

针对这个问题,服务端如果只 bind 了 IP 地址和端口,而没有调用 listen 的话,然后客户端对服务端发起了 TCP 连接建立,此时那么会发生什么呢?

# 做个实验

这个问题,自己做个实验就知道了。

我用下面这个程序作为例子,绑定了 IP 地址 + 端口,而没有调用 listen。

    /*******服务器程序  TCPServer.c ************/
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <errno.h>
    #include <string.h>
    #include <netdb.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        int sockfd, ret;
        struct sockaddr_in server_addr;
    
        /* 服务器端创建 tcp socket 描述符 */
        sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if(sockfd < 0)
        {
            fprintf(stderr, "Socket error:%s\n\a", strerror(errno));
            exit(1);
        }
    
        /* 服务器端填充 sockaddr 结构 */
        bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
        server_addr.sin_family = AF_INET;
        server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        server_addr.sin_port = htons(8888);
      
      /* 绑定 ip + 端口 */
        ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr));
        if(ret < 0)
        {
            fprintf(stderr, "Bind error:%s\n\a", strerror(errno));
            exit(1);
        }
      
      //没有调用 listen
        
        sleep(1000);
        close(sockfd);
        return 0;
    }

然后,我用浏览器访问这个地址:http://121.43.173.240:8888/

202303012307082292.png

报错连接服务器失败。

同时,我也用抓包工具,抓了这个过程。

202303012307087763.png

可以看到,客户端对服务端发起 SYN 报文后,服务端回了 RST 报文。

所以,这个问题就有了答案, 服务端如果只 bind 了 IP 地址和端口,而没有调用 listen 的话,然后客户端对服务端发起了连接建立,服务端会回 RST 报文。

# 源码分析

接下来,带大家源码分析一下。

Linux 内核处理收到 TCP 报文的入口函数是 tcp_v4_rcv,在收到 TCP 报文后,会调用 __inet_lookup_skb 函数找到 TCP 报文所属 socket 。

    int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
    {
     ...
      
     sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, th->source, th->dest);
     if (!sk)
      goto no_tcp_socket;
     ...
    }

__inet_lookup_skb 函数首先查找连接建立状态的socket(__inet_lookup_established),在没有命中的情况下,才会查找监听套接口(__inet_lookup_listener)。

202303012307093204.png

查找监听套接口(__inet_lookup_listener)这个函数的实现是,根据目的地址和目的端口算出一个哈希值,然后在哈希表找到对应监听该端口的 socket。

本次的案例中,服务端是没有调用 listen 函数的,所以自然也是找不到监听该端口的 socket。

所以,__inet_lookup_skb 函数最终找不到对应的 socket,于是跳转到no_tcp_socket。

202303012307098945.png

在这个错误处理中,只要收到的报文(skb)的「校验和」没问题的话,内核就会调用 tcp_v4_send_reset 发送 RST 中止这个连接。

至此,整个源码流程就解析完。

其实很多网络的问题,大家都可以自己做实验来找到答案的。

202303012307107026.png

# 没有 listen,能建立 TCP 连接吗?

标题的问题在前面已经解答, 现在我们看另外一个相似的问题

之前看群消息,看到有读者面试腾讯的时候,被问到这么一个问题。

不使用 listen ,可以建立 TCP 连接吗?

答案, 是可以的,客户端是可以自己连自己的形成连接(TCP自连接),也可以两个客户端同时向对方发出请求建立连接(TCP同时打开),这两个情况都有个共同点,就是没有服务端参与,也就是没有listen,就能建立连接

那没有listen,为什么还能建立连接?

我们知道执行 listen 方法时,会创建半连接队列和全连接队列。

三次握手的过程中会在这两个队列中暂存连接信息。

所以形成连接,前提是你得有个地方存放着,方便握手的时候能根据 IP + 端口等信息找到对应的 socket。

那么客户端会有半连接队列吗?

显然没有,因为客户端没有执行listen,因为半连接队列和全连接队列都是在执行 listen 方法时,内核自动创建的。

但内核还有个全局 hash 表,可以用于存放 sock 连接的信息。

这个全局 hash 表其实还细分为 ehash,bhash和listen_hash等,但因为过于细节,大家理解成有一个全局 hash 就够了,

在 TCP 自连接的情况中,客户端在 connect 方法时,最后会将自己的连接信息放入到这个全局 hash 表中,然后将信息发出,消息在经过回环地址重新回到 TCP 传输层的时候,就会根据 IP + 端口信息,再一次从这个全局 hash 中取出信息。于是握手包一来一回,最后成功建立连接

TCP 同时打开的情况也类似,只不过从一个客户端变成了两个客户端而已。

做个实验

客户端自连接的代码,TCP socket 可以 connect 它本身 bind 的地址和端口:

    #include <sys/types.h> 
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <errno.h>
    
    #define LOCAL_IP_ADDR		(0x7F000001) // IP 127.0.0.1
    #define LOCAL_TCP_PORT		(34567) // 端口
    
    int main(void)
    {
    	struct sockaddr_in local, peer;
    	int ret;
    	char buf[128];
    	int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    	memset(&local, 0, sizeof(local));
    	memset(&peer, 0, sizeof(peer));
    
    	local.sin_family = AF_INET;
    	local.sin_port = htons(LOCAL_TCP_PORT);
    	local.sin_addr.s_addr = htonl(LOCAL_IP_ADDR);
    
    	peer = local;	
    
        int flag = 1;
        ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag));
        if (ret == -1) {
            printf("Fail to setsocket SO_REUSEADDR: %s\n", strerror(errno));
            exit(1);
        }
    
    	ret = bind(sock, (const struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
    	if (ret) {
    		printf("Fail to bind: %s\n", strerror(errno));
    		exit(1);
    	}
    	
    	ret = connect(sock, (const struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer));
    	if (ret) {
    		printf("Fail to connect myself: %s\n", strerror(errno));
    		exit(1);
    	}
    	
    	printf("Connect to myself successfully\n");
    
        //发送数据
    	strcpy(buf, "Hello, myself~");
    	send(sock, buf, strlen(buf), 0);
    
    	memset(buf, 0, sizeof(buf));
    	
    	//接收数据
    	recv(sock, buf, sizeof(buf), 0);
    	printf("Recv the msg: %s\n", buf);
    
        sleep(1000);
    	close(sock);
    	return 0;
    }

编译运行:

202303012307112477.png

通过 netstat 命令命令客户端自连接的 TCP 连接:

202303012307117018.png

从截图中,可以看到 TCP socket 成功的“连接”了自己,并发送和接收了数据包,netstat 的输出更证明了 TCP 的两端地址和端口是完全相同的。

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