linux 内核tcp数据发送的实现

在分析之前先来看下SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO套接口吧,前面分析代码时没太注意这两个.这里算是个补充.

SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO套接口选项可以给套接口的读和写,来设置超时时间,在unix网络编程中,说是他们只能用于读和写,而像accept和connect都不能用他们来设置.可是我在阅读内核源码的过程中看到,在linux中,accept和connect可以分别用SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO套接口来设置超时,这里他们的超时时间也就是sock的sk_rcvtimeo和sk_sndtimeo域.accept和connect的相关代码我前面都介绍过了,这里再提一下.其中accept的相关部分在inet_csk_accept中,会调用sock_rcvtimeo来取得超时时间(如果是非阻塞则忽略超时间).而connect的相关代码在inet_stream_connect中通过调用sock_sndtimeo来取得超时时间(如果非阻塞则忽略超时时间).

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tcp发送数据最终都会调用到tcp_sendmsg,举个例子吧,比如send系统调用.

send系统调用会z直接调用sys_sendto,然后填充msghdr数据结构,并调用sock_sendmsg,而在他中,则最终会调用__sock_sendmsg.在这个函数里面会初始化sock_iocb结构,然后调用tcp_sendmsg.

在sys_sendto中还会做和前面几个系统调用差不多的操作,就是通过fd得到socket,在sock_sendmsg中则会设置aio所需的操作.

我们简要的看下__sock_sendmsg的实现.可以看到在内核中数据都是用msghdr来表示的(也就是会将char *转为msghdr),而这个结构这里就不介绍了,unix网络编程里面有详细的介绍.而struct kiocb则是aio会用到的.

static inline int __sock_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
				 struct msghdr *msg, size_t size)
{
	struct sock_iocb *si = kiocb_to_siocb(iocb);
	int err;

	si->sock = sock;
	si->scm = NULL;
	si->msg = msg;
	si->size = size;

	err = security_socket_sendmsg(sock, msg, size);
	if (err)
		return err;

///这里就会调用tcp_sendmsg.
	return sock->ops->sendmsg(iocb, sock, msg, size);
}

我们在前面知道tcp将数据传递给ip层的时候调用ip_queue_xmit,而在这个函数没有做任何切片的工作,切片的工作都在tcp层完成了.而udp则是需要在ip层进行切片(通过ip_append_data). 而tcp的数据是字节流的,因此在
tcp_sendmsg中主要做的工作就是讲字节流分段(根据mss),然后传递给ip层. 可以看到它的任务和ip_append_data很类似,流程其实也差不多. 所以有兴趣的可以看下我前面的blog


而在tcp_sendmsg中也是要看网卡是否支持Scatter/Gather I/O,从而进行相关操作.



下面我们来看它的实现,我们分段来看:

///首先取出句柄的flag,主要是看是非阻塞还是阻塞模式.
flags = msg->msg_flags;
///这里取得发送超时时间.
	timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);

///如果connect还没有完成则等待连接完成(如是非阻塞则直接返回).
	if ((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT))
		if ((err = sk_stream_wait_connect(sk, &timeo)) != 0)
			goto out_err;

	/* This should be in poll */
	clear_bit(SOCK_ASYNC_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
///取出当前的mss,在tcp_current_mss还会设置xmit_size_goal,这个值一般都是等于mss,除非有gso的情况下,有所不同.这里我们就认为他是和mms相等的.
	mss_now = tcp_current_mss(sk, !(flags&MSG_OOB));
	size_goal = tp->xmit_size_goal;

在取得了相关的值之后我们进入循环处理msg,我们知道msghdr有可能是包含很多buffer的,因此这里我们分为两层循环,一层是遍历msg的buffer,一层是对buffer进行处理(切包或者组包)并发送给ip层.

首先来看当buf空间不够时的情况,它这里判断buf空间是否足够是通过

!tcp_send_head(sk) ||
			    (copy = size_goal - skb->len) <= 0

来判断的,这里稍微解释下这个:

这里tcp_send_head返回值为sk->sk_send_head,也就是指向当前的将要发送的buf的位置.如果为空,则说明buf没有空间,我们就需要alloc一个段来保存将要发送的msg.

而skb->len指的是当前的skb的所包含的数据的大小(包含头的大小).而这个值如果大于size_goal,则说明buf已满,我们需要重新alloc一个端.如果小于size_goal,则说明buf还有空间来容纳一些数据来组成一个等于mss的数据包再发送给ip层.

	/* Ok commence sending. */
	iovlen = msg->msg_iovlen;
	iov = msg->msg_iov;
///copy的大小
	copied = 0;

	err = -EPIPE;
///如果发送端已经完全关闭则返回,并设置errno.
	if (sk->sk_err || (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN))
		goto do_error;


while (--iovlen >= 0) {
///取得当前buf长度
		int seglen = iov->iov_len;
///buf的基地址.
		unsigned char __user *from = iov->iov_base;
		iov++;
		while (seglen > 0) {
			int copy;
///我们知道sock的发送队列sk_write_queue是一个双向链表,而用tcp_write_queue_tail则是取得链表的最后一个元素.(如果链表为空则返回NULL).

			skb = tcp_write_queue_tail(sk);

///上面介绍过了.主要是判断buf是否有空闲空间.
			if (!tcp_send_head(sk) ||
			    (copy = size_goal - skb->len) <= 0) {

new_segment:
///开始alloc一个新的段.
				if (!sk_stream_memory_free(sk))
					goto wait_for_sndbuf;
///alloc的大小一般都是等于mss的大小,这里是通过select_size得到的.
				skb = sk_stream_alloc_skb(sk, select_size(sk),
						sk->sk_allocation);
				if (!skb)
					goto wait_for_memory;
				/*
				 * Check whether we can use HW checksum.
				 */
				if (sk->sk_route_caps & NETIF_F_ALL_CSUM)
					skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;
///将这个skb加入到sk_write_queue队列中,并更新sk_send_head域.
				skb_entail(sk, skb);
///将copy值更新.
				copy = size_goal;
			}

接下来如果走到这里,则说明 要么已经alloc一个新的buf,要么当前的buf中还有空闲空间.
这里先来分析alloc一个新的buf的情况.

这里先看下skb中的几个域的含义:




head and end 指的是alloc了的buf的起始和终止位置,而data and tail 指的是数据段的起始和终止位置,因此经过每一层tail和data都会变化的,而初始值这两个是相等的.

我们来看skb_tailroom,它主要是用来判断得到当前的skb的tailroom的大小.tailroom也就是当前buf的剩余数据段的大小,这里也就是用来判断当前buf是否能够再添加数据.

static inline int skb_is_nonlinear(const struct sk_buff *skb)
{
	return skb->data_len;
}
static inline int skb_tailroom(const struct sk_buff *skb)
{
///如果是新alloc的skb则会返回tailroom否则返回0
	return skb_is_nonlinear(skb) ? 0 : skb->end - skb->tail;
}

接下来来看代码:

while (--iovlen >= 0) {
...........................
		while (seglen > 0) {

///如果copy大于buf的大小,则缩小copy.
			if (copy > seglen)
				copy = seglen;
///这里查看skb的空间.如果大于0,则说明是新建的skb.
			if (skb_tailroom(skb) > 0) {
///如果需要复制的数据大于所剩的空间,则先复制当前skb所能容纳的大小.
				if (copy > skb_tailroom(skb))
					copy = skb_tailroom(skb);
///复制数据到sk_buff.大小为copy.如果成功进入do_fault,(我们下面会分析)
				if ((err = skb_add_data(skb, from, copy)) != 0)
					goto do_fault;
			} 

如果走到这一步,当前的sk buff中有空闲空间 也分两种情况,一种是 设备支持Scatter/Gather I/O(原理和udp的ip_append_data一样,可以看我以前的blog).


另外一种情况是设备不支持S/G IO,可是mss变大了.这种情况下我们需要返回new_segment,新建一个段,然后再处理.
\我建议在看这段代码前,可以看下我前面blog分析ip_append_data的那篇.因为那里对S/G IO的设备处理切片的分析比较详细,而这里和那边处理基本类似.这里我对frags的操作什么的都是很简单的描述,详细的在ip_append_data那里已经描述过.


然后再来了解下PSH标记,这个标记主要是用来使接收方将sk->receive_queue上缓存的skb提交给用户进程.详细的介绍可以看tcp协议的相关部分(推功能).在这里设置这个位会有两种情况,第一种是我们写了超过一半窗口大小的数据,此时我们需要标记最后一个段的PSH位.或者我们有一个完整的tcp段发送出去,此时我们也需要标记pSH位.

while (--iovlen >= 0) {
...........................
		while (seglen > 0) {
...............................

else {

			int merge = 0;
///取得nr_frags也就是保存物理页的数组.
				int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags;
///从socket取得当前的发送物理页.
				struct page *page = TCP_PAGE(sk);
///取得当前页的位移.
				int off = TCP_OFF(sk);
///这里主要是判断skb的发送页是否已经存在于nr_frags中,如果存在并且也没有满,则我们只需要将数据合并到这个页就可以了,而不需要在frag再添加一个页.
				if (skb_can_coalesce(skb, i, page, off) &&
				    off != PAGE_SIZE) {
					merge = 1;
				} else if (i == MAX_SKB_FRAGS ||
					   (!i &&
					   !(sk->sk_route_caps & NETIF_F_SG))) {
///到这里说明要么设备不支持SG IO,要么页已经满了.因为我们知道nr_frags的大小是有限制的.此时调用tcp_mark_push来加一个PSH标记.
					tcp_mark_push(tp, skb);
					goto new_segment;
				} else if (page) {
					if (off == PAGE_SIZE) {
///这里说明当前的发送页已满.
						put_page(page);
						TCP_PAGE(sk) = page = NULL;
						off = 0;
					}
				} else
					off = 0;

				if (copy > PAGE_SIZE - off)
					copy = PAGE_SIZE - off;
.................................
///如果page为NULL则需要新alloc一个物理页.
			if (!page) {
					/* Allocate new cache page. */
					if (!(page = sk_stream_alloc_page(sk)))
						goto wait_for_memory;
				}
///开始复制数据到这个物理页.
				err = skb_copy_to_page(sk, from, skb, page,
						       off, copy);
				if (err) {
///出错的情况.
					if (!TCP_PAGE(sk)) {
						TCP_PAGE(sk) = page;
						TCP_OFF(sk) = 0;
					}
					goto do_error;
				}

///判断是否为新建的物理页.
				if (merge) {
///如果只是在存在的物理页添加数据,则只需要更新size
					skb_shinfo(skb)->frags[i - 1].size +=
									copy;
				} else {
///负责添加此物理页到skb的frags.
					skb_fill_page_desc(skb, i, page, off, copy);
					if (TCP_PAGE(sk)) {
///设置物理页的引用计数.
						get_page(page);
					} else if (off + copy < PAGE_SIZE) {
						get_page(page);
						TCP_PAGE(sk) = page;
					}
				}
///设置位移.
				TCP_OFF(sk) = off + copy;
			}

数据复制完毕,接下来就该发送数据了.

这里我们要知道几个tcp_push,tcp_one_push最终都会调用__tcp_push_pending_frames,而在它中间最终会调用tcp_write_xmit,而tcp_write_xmit则会调用tcp_transmit_skb,这个函数最终会调用ip_queue_xmit来讲数据发送给ip层.这里要注意,我们这里的分析忽略掉了,tcp的一些管理以及信息交互的过程.


接下来看数据传输之前先来分析下TCP_PUSH几个函数的实现,tcp_push这几个类似函数的最后一个参数都是一个控制nagle算法的参数,来看下这几个函数的原型:

static inline void tcp_push(struct sock *sk, int flags, int mss_now,
			    int nonagle)

void __tcp_push_pending_frames(struct sock *sk, unsigned int cur_mss,
			       int nonagle)

static int tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle)

我们还要知道tcp sock有一个nonagle域,这个域是会被tcp_cork套接口选项时被设置为TCP_NAGLE_CORK .先来看tcp_push的实现:

static inline void tcp_push(struct sock *sk, int flags, int mss_now,
			    int nonagle)
{
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);

	if (tcp_send_head(sk)) {
		struct sk_buff *skb = tcp_write_queue_tail(sk);
///MSG_MORE这个参数我们在ip_append_data那里已经介绍过了,就是告诉ip层,我这里主要是一些小的数据包,然后ip层就会提前划分一个mtu大小的buf,然后等待数据的到来.因此如果没有设置这个或者forced_push返回真(我们写了超过最大窗口一般的数据),就标记一个PSH.
		if (!(flags & MSG_MORE) || forced_push(tp))
			tcp_mark_push(tp, skb);
		tcp_mark_urg(tp, flags, skb);
///这里还是根据是否有设置MSG_MORE来判断使用哪个flags.因此可以看到如果我们设置了tcp_cork套接字选项和设置msg的MSG_MORE比较类似.最终调用tcp_push都会传递给__tcp_push_pending_frames的参数为TCP_NAGLE_CORK .
		__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now,
					  (flags & MSG_MORE) ? TCP_NAGLE_CORK : nonagle);
	}
}

在看tcp_write_xmit之前,我们先来看下tcp_nagle_test,这个函数主要用来检测nagle算法.如果当前允许数据段立即被发送,则返回1,否则为0.

///这个函数就不介绍了,内核的注释很详细.

/* Return 0, if packet can be sent now without violation Nagle's rules:
 * 1. It is full sized.
 * 2. Or it contains FIN. (already checked by caller)
 * 3. Or TCP_NODELAY was set.
 * 4. Or TCP_CORK is not set, and all sent packets are ACKed.
 *    With Minshall's modification: all sent small packets are ACKed.
 */
static inline int tcp_nagle_check(const struct tcp_sock *tp,
				  const struct sk_buff *skb,
				  unsigned mss_now, int nonagle)
{
	return (skb->len < mss_now &&
		((nonagle & TCP_NAGLE_CORK) ||
		 (!nonagle && tp->packets_out && tcp_minshall_check(tp))));
}
static inline int tcp_nagle_test(struct tcp_sock *tp, struct sk_buff *skb,
				 unsigned int cur_mss, int nonagle)
{
///如果设置了TCP_NAGLE_PUSH则返回1,也就是数据可以立即发送
	if (nonagle & TCP_NAGLE_PUSH)
		return 1;

	/* Don't use the nagle rule for urgent data (or for the final FIN).
	 * Nagle can be ignored during F-RTO too (see RFC4138).
	 */
	if (tcp_urg_mode(tp) || (tp->frto_counter == 2) ||
	    (TCP_SKB_CB(skb)->flags & TCPCB_FLAG_FIN))
		return 1;
///再次检测 nonagle域,相关的检测,上面已经说明了.
	if (!tcp_nagle_check(tp, skb, cur_mss, nonagle))
		return 1;

	return 0;
}

然后看下tcp_write_xmit的实现,

static int tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle)
{
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	struct sk_buff *skb;
	unsigned int tso_segs, sent_pkts;
	int cwnd_quota;
	int result;
///检测状态.
	if (unlikely(sk->sk_state == TCP_CLOSE))
		return 0;

	sent_pkts = 0;

///探测mtu.
	if ((result = tcp_mtu_probe(sk)) == 0) {
		return 0;
	} else if (result > 0) {
		sent_pkts = 1;
	}

///开始处理数据包.
	while ((skb = tcp_send_head(sk))) {
		unsigned int limit;

		tso_segs = tcp_init_tso_segs(sk, skb, mss_now);
		BUG_ON(!tso_segs);
///主要用来测试congestion window..
		cwnd_quota = tcp_cwnd_test(tp, skb);
		if (!cwnd_quota)
			break;

		if (unlikely(!tcp_snd_wnd_test(tp, skb, mss_now)))
			break;

		if (tso_segs == 1) {
///主要看这里,如果这个skb是写队列的最后一个buf,则传输TCP_NAGLE_PUSH给tcp_nagle_test,这个时侯直接返回1,于是接着往下面走,否则则说明数据包不要求理解发送,我们就跳出循环(这时数据段就不会被发送).比如设置了TCP_CORK.
			if (unlikely(!tcp_nagle_test(tp, skb, mss_now,
						     (tcp_skb_is_last(sk, skb) ?
						      nonagle : TCP_NAGLE_PUSH))))
				break;
		} else {
			if (tcp_tso_should_defer(sk, skb))
				break;
		}

		limit = mss_now;
		if (tso_segs > 1 && !tcp_urg_mode(tp))
			limit = tcp_mss_split_point(sk, skb, mss_now,
						    cwnd_quota);

		if (skb->len > limit &&
		    unlikely(tso_fragment(sk, skb, limit, mss_now)))
			break;

		TCP_SKB_CB(skb)->when = tcp_time_stamp;
///传输数据给3层.
		if (unlikely(tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, GFP_ATOMIC)))
			break;

		/* Advance the send_head.  This one is sent out.
		 * This call will increment packets_out.
		 */
		tcp_event_new_data_sent(sk, skb);

		tcp_minshall_update(tp, mss_now, skb);
		sent_pkts++;
	}

	if (likely(sent_pkts)) {
		tcp_cwnd_validate(sk);
		return 0;
	}
	return !tp->packets_out && tcp_send_head(sk);
}

然后返回来,来看刚才紧接着的实现:

while (--iovlen >= 0) {
...........................
		while (seglen > 0) {
...............................

///如果第一次组完一个段,则设置PSH.
			if (!copied)
				TCP_SKB_CB(skb)->flags &= ~TCPCB_FLAG_PSH;
///然后设置写队列长度.
			tp->write_seq += copy;
			TCP_SKB_CB(skb)->end_seq += copy;
			skb_shinfo(skb)->gso_segs = 0;
///更新buf基地址以及复制的buf大小.
			from += copy;
			copied += copy;
///buf已经复制完则退出循环.并发送这个段.
			if ((seglen -= copy) == 0 && iovlen == 0)
				goto out;
///如果skb的数据大小小于所需拷贝的数据大小或者存在带外数据,我们继续循环,而当存在带外数据时,我们接近着的循环会退出循环,然后调用tcp_push将数据发出.
			if (skb->len < size_goal || (flags & MSG_OOB))
				continue;
///forced_push用来判断我们是否已经写了多于一半窗口大小的数据到对端.如果是,我们则要发送一个推数据(PSH).
			if (forced_push(tp)) {
				tcp_mark_push(tp, skb);
///调用__tcp_push_pending_frames将开启NAGLE算法的缓存的段全部发送出去.
				__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);
			} else if (skb == tcp_send_head(sk))
///如果当前将要发送的buf刚好为skb,则会传发送当前的buf
				tcp_push_one(sk, mss_now);
			continue;

wait_for_sndbuf:
			set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
wait_for_memory:
			if (copied)
///内存不够,则尽量将本地的NAGLE算法所缓存的数据发送出去.
				tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);

			if ((err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo)) != 0)
				goto do_error;
///更新相关域.
			mss_now = tcp_current_mss(sk, !(flags&MSG_OOB));
			size_goal = tp->xmit_size_goal;
		}
	}

最后来看下出错或者成功tcp_sendmsg所做的:

out:
///这里是成功返回所做的.
	if (copied)
///这里可以看到最终的flag是tp->nonagle,而这个就是看套接口选项是否有开nagle算法,如果没开的话,立即把数据发出去,否则则会村讯nagle算法,将小数据缓存起来.
		tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle);
	TCP_CHECK_TIMER(sk);
	release_sock(sk);
	return copied;

do_fault:
	if (!skb->len) {
///从write队列unlink掉当前的buf.
		tcp_unlink_write_queue(skb, sk);
///更新send)head
		tcp_check_send_head(sk, skb);
///释放skb.
		sk_wmem_free_skb(sk, skb);
	}

do_error:
	if (copied)
///如果copied不为0,则说明发送成功一部分数据,因此此时返回out.
		goto out;
out_err:
///否则进入错误处理.
	err = sk_stream_error(sk, flags, err);
	TCP_CHECK_TIMER(sk);
	release_sock(sk);
	return err;

评论

1 楼 lzy.je 2009-09-10  

很好，再接再厉