TCP 全連接隊列內核層理解socket

TCP 全連接隊列

理解 listen 的第二個參數

int listen(int sockfd, int backlog);

backlog 參數表示 全連接隊列（accept 隊列）的最大長度。

那什么是全連接隊列呢？

三次握手 & accept() 處理流程

客戶端發送 SYN，服務器收到并放入半連接隊列。
服務器回 SYN+ACK，客戶端收到后發送 ACK。
服務器收到 ACK，握手完成，連接進入全連接隊列等待 accept() 處理。
服務器調用 accept() 取出連接，建立 TCP 連接。

也就是說我們訪問服務器會由內核自動進行3次握手，完成后會連入全連接隊列中，服務端再調用accept()，從隊列中獲取連接進行處理。而listen的第二個參數就是全連接隊列的最大連接長度，如果服務器來不及調用accept()處理連接，連接會堆積在全連接隊列。超過最大連接長度，再進行連接就會三次握手失敗。

所以全連接隊列本質就是一種生產消費者模型，backlog 不能太長也不能太短。

1.太短，可能丟失大量連接（客戶端需要重試，增加網絡負擔）。

2.太長，一方面會讓用戶等待過長的時間，另一方面會占用大量內存。

Linux 內核?TCP socket

先看一下從進程的文件描述符到 TCP socket的整體結構

1. 任務（task_struct）到文件描述符表

進程的 task_struct 結構體包含 files_struct，用于管理進程的文件表。
files_struct 中有一個 fd_array[]（文件描述符數組），存儲著所有打開的文件（struct file 指針）。

2. 文件結構（struct file）

struct file 代表進程打開的一個文件，可能是普通文件、設備文件或者套接字（socket）。
其中 private_data 用于存儲 socket 相關信息。
當文件描述符指向 socket 時，它的 private_data 指向 struct socket 結構體。

3. socket 結構（struct socket）
struct socket 代表一個高層的 socket 抽象，內部包含：
struct file *file：指向與 socket 關聯的文件結構。
struct sock *sk：指向具體的 sock 結構體，代表底層協議相關的數據結構。
struct socket {socket_state state;       // socket 當前狀態，如 SS_CONNECTEDshort type;               // socket 類型，如 SOCK_STREAM（TCP）或 SOCK_DGRAM（UDP）unsigned long flags;      // socket 標志struct file *file;        // 關聯的 struct file 結構體struct sock *sk;          // 關聯的 struct sock 結構體（底層協議數據）const struct proto_ops *ops; // 指向 socket 操作函數
};
4. sock 結構（struct sock）

struct sock 是底層 socket 內部的核心結構，存儲協議無關的信息。
struct sock 可以指向不同的協議（如 TCP、UDP、RAW）擴展成更具體的協議結構。

5. TCP Socket結構

從高層到底層，TCP socket 主要涉及以下結構：

struct sock（通用 socket 結構）
struct inet_sock（IP 層 socket）
struct inet_connection_sock（面向連接的 socket）
struct tcp_sock（TCP 連接的具體實現）

1 struct sock（核心 socket 結構）

struct sock 是 Linux 內核中最基礎的 socket 結構，幾乎所有的協議（TCP、UDP、RAW）都會用到它。它存儲了 socket 相關的通用數據，例如：
struct sock {struct socket *sk_socket;  // 關聯的 socket 結構struct sock_common __sk_common; // 存放通用的網絡信息，如 IP、端口等atomic_t sk_refcnt;  // 引用計數struct sk_buff_head sk_receive_queue; // 接收緩沖隊列struct sk_buff_head sk_write_queue; // 發送緩沖隊列struct proto *sk_prot; // 指向協議處理函數（TCP、UDP等）
};
關鍵字段解析

sk_socket：指向 struct socket，用于在高層 socket 結構和底層 sock 結構之間建立關聯。
sk_receive_queue：存儲接收到但尚未被應用層讀取的數據包。
sk_write_queue：存儲尚未發送的數據包。
sk_prot：指向協議處理函數，例如 TCP 或 UDP 的操作集合。struct socket中type是TCP就調用TCP的函數

作用

struct sock 作為所有協議（TCP/UDP）的基類，包含通用 socket 操作。
由 struct socket 通過 sk 字段關聯。
sk_prot 用于決定 socket 的具體協議操作，例如 tcp_prot（TCP 協議處理）。

2 struct inet_sock（IP 層 socket）

struct inet_sock 繼承自 struct sock，用于 IPv4 相關的 socket 操作。這個結構體增加了 IP 層的字段，例如源 IP、目的 IP、端口號等。
struct inet_sock {struct sock sk; // 繼承 struct sock__be32 inet_saddr; // 本地 IP 地址__be32 inet_rcv_saddr; // 綁定的本地 IP 地址（可能是 0.0.0.0）__be16 inet_sport; // 本地端口（主機字節序）__be16 inet_dport; // 遠程端口（主機字節序）__be32 inet_daddr; // 遠程 IP 地址struct ip_options *inet_opt; // 額外的 IP 選項（如 IP 選路）
};
關鍵字段解析

inet_saddr：本地 IP 地址。
inet_daddr：目標 IP 地址。
inet_sport：本地端口號。
inet_dport：遠程端口號。
inet_opt：可選的 IP 頭部選項。

作用

增加 IP 層信息，使得 struct sock 能夠支持 IPv4 協議。
存儲 socket 關聯的 IP 地址和端口號。
供 TCP 和 UDP 繼承，并擴展額外功能。

3 struct inet_connection_sock（面向連接的 socket）

struct inet_connection_sock 繼承 struct inet_sock，用于 面向連接的協議（如 TCP）。它增加了 TCP 連接管理所需的數據，例如超時控制、連接狀態等。
struct inet_connection_sock {struct inet_sock icsk_inet; // 繼承 struct inet_sockstruct request_sock_queue icsk_accept_queue; // 半連接隊列struct list_head icsk_ack_list; // TCP Fast Open 相關struct timer_list icsk_retransmit_timer; // 重傳定時器struct request_sock *icsk_accept_head; // 指向全連接隊列的頭部
};
關鍵字段解析

字段作用
icsk_inet 繼承 struct inet_sock，包含 IP 地址、端口信息
icsk_accept_queue 半連接隊列，存放 SYN-RECEIVED 連接
icsk_ack_list TCP Fast Open 機制，加快 SYN 建立連接
icsk_retransmit_timer TCP 重傳定時器，用于 SYN+ACK 超時重傳
icsk_accept_head 全連接隊列，存放 ESTABLISHED 連接，等待 accept()

作用

維護 TCP 連接狀態（如 SYN、ESTABLISHED）。
控制 TCP 連接的超時機制。
監聽 socket 維護 accept() 所需的連接隊列。

字段	作用
`icsk_inet`	繼承 `struct inet_sock`，包含 IP 地址、端口信息
`icsk_accept_queue`	半連接隊列，存放 `SYN-RECEIVED` 連接
`icsk_ack_list`	TCP Fast Open 機制，加快 `SYN` 建立連接
`icsk_retransmit_timer`	TCP 重傳定時器，用于 `SYN+ACK` 超時重傳
`icsk_accept_head`	全連接隊列，存放 `ESTABLISHED` 連接，等待 `accept()`

4 struct tcp_sock（TCP 連接的實現）

struct tcp_sock 繼承 struct inet_connection_sock，專門用于 TCP 連接，存儲 TCP 專有的數據，例如 TCP 窗口大小、擁塞控制狀態等。
struct tcp_sock {struct inet_connection_sock inet_conn; // 繼承 struct inet_connection_socku32 snd_nxt; // 發送窗口的下一個序列號u32 rcv_nxt; // 接收窗口的下一個序列號u32 snd_una; // 發送窗口的最早未確認序列號u32 snd_wnd; // 發送窗口大小u32 rcv_wnd; // 接收窗口大小struct sk_buff *retransmit_skb_hint; // 指向要重傳的數據struct tcp_congestion_ops *cong_control; // 擁塞控制算法
};
關鍵字段解析

snd_nxt：下一個要發送的 TCP 序列號。
rcv_nxt：期望接收的下一個 TCP 序列號。
snd_una：最早未被確認的 TCP 序列號（累計確認）。
snd_wnd / rcv_wnd：TCP 窗口大小，決定流量控制。
retransmit_skb_hint：指向當前需要重傳的 TCP 報文。
cong_control：TCP 擁塞控制算法（如 Reno、CUBIC）。

作用

維護 TCP 發送、接收窗口，實現流量控制。
管理 TCP 擁塞控制機制，影響 TCP 傳輸速率。
控制 TCP 數據包重傳，保證可靠傳輸。

結構體關系總結

struct sock（核心 socket 結構，通用于所有協議）。
struct inet_sock（增加 IP 地址、端口等）。
struct inet_connection_sock（增加 TCP 連接管理功能）。
struct tcp_sock（TCP 特有字段，如序列號、窗口大小等）

UDP Socket 結構層次

UDP（User Datagram Protocol）是無連接的傳輸協議，與 TCP 相比，它沒有連接管理、流量控制和可靠性機制，因此在 Linux 內核中的實現相對簡單。UDP 的 socket 仍然依賴于 struct sock，但不需要像 TCP 那樣擴展 struct inet_connection_sock 或 struct tcp_sock。

UDP 在內核中的數據結構層級如下：

struct sock（核心 socket 結構）
struct inet_sock（IP 層 socket，增加源/目標 IP、端口等信息）
struct udp_sock（UDP 特有的數據結構）

TCP 需要 struct inet_connection_sock 和 struct tcp_sock 來處理連接管理，而 UDP 直接使用 struct inet_sock，并在 struct udp_sock 中擴展少量的 UDP 相關字段。

listen()監聽TCP連接創建tcp socket的內核過程

當服務器使用 listen() 監聽 TCP 連接，并在 accept() 中接受新的連接時，Linux 內核會經歷以下幾個關鍵步驟：

listen() 監聽 TCP 端口
三次握手期間，創建 struct sock 并存入半連接隊列，三次握手完成后連入全連接隊列中
accept() 取出 struct sock，創建 struct socket
創建 struct file 并存入 struct files_struct->fd_array[]

1. listen()：初始化監聽 socket 并設置全連接隊列

Linux 內核執行 tcp_listen_start()，配置 struct sock 進入監聽狀態。

listen() 作用

設置 struct sock->sk_state = TCP_LISTEN
初始化 icsk_accept_queue（半連接隊列）和 icsk_accept_head（全連接隊列）
設置 backlog，決定全連接隊列最大容量

2. 客戶端三次握手，創建 struct sock 并進入全連接隊列

當客戶端發起 TCP 連接時：

客戶端發送 SYN

服務器 TCP_LISTEN 狀態，調用 tcp_v4_rcv() 處理 SYN。
服務器分配 struct request_sock，存入 半連接隊列 (icsk_accept_queue)。

服務器回復 SYN+ACK

服務器仍然在 TCP_LISTEN 狀態。
SYN+ACK 發送后，客戶端需要回復 ACK。

客戶端發送 ACK，服務器進入 ESTABLISHED

tcp_v4_rcv() 處理 ACK。
服務器 創建 struct sock，從半連接隊列轉移到 全連接隊列 (icsk_accept_head)，等待 accept() 處理。

3. accept() 處理全連接隊列，創建 struct socket

當服務器調用：accept()

accept() 取出全連接隊列 icsk_accept_head 里的 struct sock。
創建 新的 struct socket 并關聯 struct sock。
當 accept() 創建 struct socket 后，還需要 struct file 結構，以便進程可以通過文件描述符訪問它。創建 struct file，并存入 fd_array[]（文件描述符表）。

1.struct sock在三次握手過程中被創建并進入半連接隊列，

2.三次握手完成后，struct sock連接到全連接隊列中，accpet()調用后創建對應的struct socket并用struct sock*sk關聯，

3.再創建struct file用private_data連接struct socket,struct socket中struct file*file再反指向file。

4.把file的指針填入struct files_struct 中fd_array[]文件描述符表數組分配文件描述符fd。

5.再由accept()返回創建的fd