神奇的backlog参数对TCP连接建立的影响

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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。

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

POSIX 是这么说的:

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

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 ?!

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.

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)

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