TCP/IP 編程介面提供各種系統調用，以幫助您有效地使用該協議。TCP 堆棧代碼數量繁多，深入到內核級別的完整調用序列可以幫助您了解 TCP 堆棧。在本文中，將回顧和學習關於 TCP 調用序列的詳細信息，其中包括對 FreeBSD 的引用，以及在用戶級進行系統調用后在 TCP 堆棧中發生的重要函數調用。
引言
典型的 TCP 客戶機和伺服器應用程序通過發布 TCP 系統調用序列來獲取某些函數。這些系統調用包括 socket ()、bind ()、listen ()、accept ()、send () 和 receive()。本文介紹在應用程序發布 TCP 系統調用時在較低級別中發生的情況，如圖 1 所示。
圖 2 顯示了 TCP 系統調用在物理鏈路上發出之前進行傳播的各個層。
套接字層接收進行的任何 TCP 系統調用。套接字層驗證 TCP 應用程序傳遞的參數的正確性。這是一個獨立於協議 的層，因為尚未將協議連接到調用中。
套接字層下面是協議層，該層包含協議的實際實現（本例中為 TCP）。當套接字層對協議層進行調用時，將確保對兩個層之間共享的數據結構具有獨佔訪問許可權。這樣做是為了避免任何數據結構損壞。
各種網路設備驅動程序在介面層運行，該層從物理鏈路接收數據，並向物理鏈路傳輸數據。
每個套接字具有一個套接字隊列，並且每個介面具有一個用於數據通信的介面隊列。不過，對於整個協議層，只有一個稱為 IP 輸入隊列的協議隊列。介面層通過此 IP 輸入隊列將數據輸入到協議層。協議層使用相應的介面隊列將數據輸出到介面。
在本文中，將學習以下系統調用：
Socket
socket (struct proc *p, struct socket_args *uap, int retval) struct sock_args { int domain, int type, int protocol; }; |
在 socket 系統調用中：
socket 系統調用通過分配新的描述符創建新的套接字。將新的描述符返回到調用進程。任何後續的系統調用都使用創建的套接字標識。socket 系統調用還向創建的套接字描述符分配協議。
domain、type 和 protocol 參數值指定系列、類型和協議，以分配給創建的套接字。圖 3 顯示了調用序列。
從進程檢索參數后，socket 函數調用 socreate 函數。socreate 函數根據進程指定的參數發現指向協議切換 protsw 結構的指針。socreate 函數然後分配新的套接字結構。然後進行協議特定的調用 pr_usrreq，進而切換到與套接字描述符關聯的相應協議特定的請求。pr_usrreq 函數的原型為：
int pr_usrreq(struct socket *so , int req, struct mbuf *m0 , *m1 , *m2); |
pr_usrreq 函數為大約 16 個請求提供服務。
tcp_usrreq() 函數調用 tcp_attach( )，以處理 PRU_ATTACH 請求。要分配 Internet 協議控制塊，可調用 in_pcballoc()。在 in_pcballoc 中，調用了內核的內存分配器函數，該函數將內存分配給 Internet 控制塊。完成所有必要的 Internet 控制塊結構指針初始化之後，該控制返回到 tcp_attach()。
分配新的 TCP 控制塊，並在 tcp_newtcpcb() 中初始化。它還初始化所有的 TCP 定時器變數，並且控制返回到 tcp_attach()。現在套接字狀態初始化為 CLOSED。在返回到 tcp_usrreq 函數時，創建套接字描述符，以指向套接字的 TCP 控制塊。
Internet 控制塊是雙向鏈接的循環鏈表，其指針指向套接字結構，同時套接字結構的 so_pcb 部分指向 Internet 控制塊結構。Internet 控制塊還具有指向 TCP 控制塊的指針。有關 Internet 控制塊和 TCP 控制塊結構的更詳細信息，請參見參考資料部分。
Bind
bind (struct proc *p, struct bind_args *uap, int *retval) struct bind_args { int s; caddr_t name; int namelen; }; |
在 bind 系統調用函數中：
bind 系統調用將本地網路傳輸地址與套接字關聯。對於客戶端進程，發布 bind 調用不是強制的。當客戶端進程發布 connect 系統調用時，內核負責執行隱式綁定。伺服器進程接受連接或啟動與客戶端的通信之前，發布顯式綁定請求通常是必需的。
bind 調用將進程指定的本地地址複製到 mbuf，並調用 sobind，後者則根據請求使用 PRU_BIND 調用 tcp_usrreq()。tcp_usrreq() 中的切換實例調用 in_pcbbind()，後者將本地地址和埠號綁定到套接字。in_pcbbind 函數首先執行一些完整性檢查，以確保不綁定套接字兩次，並且至少一個介面分配了 IP 地址。in_pcbbind 負責隱式和顯式綁定。
如果對 in_pcbbind()（指向 sockaddr_in 結構的指針）的調用中的第二個參數為非空，則發生顯式綁定。其他情況下，則發生隱式綁定。對於顯式綁定，在綁定的 IP 地址上執行檢查，並相應設置套接字選項。
如果指定的本地埠是一個非零值，則對超級用戶特權進行檢查，以確定綁定是否位於保留的埠（例如，根據 Berkley 約定，埠號 < 1024）。然後調用 in_pcblookup()，以便查找具有提到的本地 IP 地址和本地埠號的控制塊。in_pcblookup() 驗證本地地址和埠對是否仍未使用。如果 in_pcbbind() 中的第二個參數是 NULL，或本地埠是零，則控制失敗，並檢查臨時埠（例如，根據 Berkley 約定，1024 < 埠號 < 5000）。然後調用 in_pcblookup()，以驗證發現的埠是否未使用。
Listen
listen (struct proc *p, struct listen_args *uap, int *retval) struct listen_args { int s; int backlog; }; |
在 listen 系統調用中：
listen 調用指示協議，伺服器進程準備接受套接字上任何新傳入的連接。存在一個可以排列的連接數限制，在該連接數之後，忽略任何進一步的連接請求。
listen 系統調用使用套接字描述符和 listen 調用中指定的backlog 值調用 solisten。solisten 僅使用 PRU_LISTEN 作為請求調用 tcp_usrreq 函數。在 tcp_usrreq() 函數的切換語句中，PRU_LISTEN 的實例檢查套接字是否綁定到埠。如果埠為零，則調用 in_pcbbind()，將套接字綁定到一個埠（按照 Bind 部分中的描述）。
如果埠上已存在偵聽的套接字，則將套接字的狀態更改為 LISTEN。通常，所有的伺服器進程都偵聽眾所周知的埠號。很少調用 in_pcbbind 來執行伺服器進程的隱式綁定。圖 5 顯示了偵聽的調用序列。
Accept
accept(struct proc *p, struct accept_args *uap, int *retval); struct accept_args { int s; caddr_t name; int *anamelen; }; |
在 accept 系統調用中：
accept 系統調用是等待傳入連接的阻塞調用。處理連接請求后，accept 將返回新的套接字描述符。將此新的套接字連接到客戶端，使另外一個套接字 s 保持 LISTEN 狀態，以接受進一步連接。
accept 調用首先驗證參數，並等待要到達的連接請求。在此之前，函數在 while 循環中阻塞。新的連接到達后，協議層喚醒伺服器進程。Accept 然後檢查函數阻塞時發生的任何套接字錯誤。如果存在任何套接字錯誤，則函數返回，並繼續從隊列拾取新的連接並調用 soaccept。在 soaccept() 中調用 tcp_usrreq () 函數，並將請求作為 PRU_ACCEPT。tcp_usrreq 函數中的切換調用 in_setpeeraddr()，後者從協議控制塊複製外來 IP 地址和外來埠號，並將其返回到伺服器進程。
Connect
connect (struct proc *p, struct connect_args *uap, int *retval); struct connect_args { int s; caddr_t name; int namelen; }; |
在 connect 系統調用中：
客戶端進程通常調用 connect 系統調用，以連接到伺服器進程。如果在初始化連接之前，客戶端進程沒有顯式發布 bind 系統調用，則堆棧負責本地套接字上的隱式綁定。
connect 系統調用將外來地址（需要將連接請求發送到地址）從進程複製到內核，並調用 soconnect()。從 soconnect() 返回時，connect() 函數進入睡眠狀體，直到協議層將其喚醒，並指示連接是 ESTABLISHED 或套接字上存在錯誤。soconnect() 函數檢查套接字的有效狀態，並使用 PRU_CONNECT 作為請求調用 pr_usrreq()。
tcp_usrreq() 函數中的切換實例檢查套接字與本地埠的綁定。如果未綁定套接字，則調用執行隱式綁定的 in_pcbbind()。然後調用 in_pcbconnect()，以獲取到達目的地的路線，發現必須輸出套接字的介面，並驗證 connect() 指定的外來套接字對（IP 地址和埠號）是否唯一。然後使用外來 IP 地址和埠號更新其 Internet 控制塊，並返回到 PRU_CONNECT 示例語句。
tcp_usrreq () 現在調用 soisconnecting ()，它可以將客戶端主機上的套接字的狀態設置為 SYN_SENT。調用函數 tcp_output，將 SYN 包輸出到網路。控制現在返回到 connect() 函數，該函數處於睡眠狀態，直到協議層喚醒 — 指示連接現在是 ESTABLISHED，或套接字上存在錯誤。
3 向 TCP 握手
圖 8、圖 9 和圖 10 顯示了客戶端發布 connect 和伺服器發布 accept 以指示和建立 TCP 連接時的調用序列。
當客戶端發布 connect 時，在協議層調用 tcp_output() 函數，將 SYN 包輸出到介面。如圖 9 所示，soconnect 現在返回到 connect() 函數，並進入睡眠狀態。客戶端上的套接字狀態現在是 SYN_SENT。介面層調用 if_output()（實際上是介面特定的輸出函數），將包發送到 n/w。
目的地（伺服器）上的介面接收傳入 SYN 包，將其放在 ipintrq 隊列中，並引發軟體中斷。包然後由調用 tcp_input 常式的 ipintr() 獲取。tcp_input() 在 s/w 中斷時執行，並從 ipintrq 拾取 SYN 包，對其進行處理，並將部分完成的套接字連接放入完成的套接字隊列。伺服器端的套接字狀態現在是 SYN_RCVD。每次處理后，tcp_input() 常式都調用 tcp_output()（如果需要將響應套接字發送到另一端）。
處理 SYN 后，伺服器使用 tcp_output ()、ip_output () 和 if_output () 序列發送 SYN ACK 包。客戶端上的 n/w 介面接收此包，將其放在 ipintrq 中，並引發 s/w 中斷。同樣，ipintr () 從 ipintrq 獲取該包，並將其傳遞到客戶端 TCP 堆棧上的 tcp_input () 常式。包現在是經過處理的，並調用了 soisconnected ()，它喚醒連接調用。客戶端上的套接字狀態現在已建立。
客戶端上的 tcp_input () 常式處理 SYN ACK 包，並調用 tcp_output () 將 ACK 包發回到伺服器。伺服器端上的 tcp_input () 處理此 ACK 包，並調用 soisconnected ()。此函數從未完成的套接字隊列移除套接字，並將其放入完成的套接字隊列，然後調用 Wakeup ()，以喚醒 accept 調用。伺服器端的套接字現在已建立。
Shutdown
shutdown (struct proc *p, struct shutdown_args *uap, int *retval); Struct shutdown_args { int s; int how; } |
在 shutdown 系統調用中：
shutdown 系統調用關閉連接的任意一端或兩端。如果需要關閉讀取部分，則會丟棄接收緩衝區中存在的任何數據，並關閉該端的連接。對寫入部分，TCP 發送任何剩餘的數據，然後終止連接的寫入端。
如果需要關閉連接的讀取部分，則 soshutdown() 函數調用 sorflush()。sorflush() 標記套接字以拒絕任何傳入的包，並釋放保存的任何系統資源。
如果需要關閉連接的寫入部分，則調用 tcp_usrreq()，並將 PRU_SHUTDOWN 作為請求。PRU_SHUTDOWN 的切換實例根據當前的狀態調用 tcp_usrclosed() 函數，以更新套接字的狀態。TCP/IP 狀態圖表可以幫助了解套接字在任何給定的時間存在的不同狀態。如果從 tcp_usrclosed() 返回時需要發送 FIN，則調用 tcp_output() 將其發送到介面。
Close
soo_close(struct file *fp , struct proc *p); |
在 close 系統調用中：
close 系統調用可關閉或中止套接字上任何掛起的連接。
soo_close() 僅調用 so_close() 函數，該函數首先檢查要關閉的套接字是否為偵聽套接字（正在接收傳入連接的套接字）。如果是，則遍歷兩個套接字隊列，以檢查任何掛起的連接。對每個掛起的連接，將調用 soabort() 以發布 tcp_usrreq()，並將 PRU_ABORT 用作請求。此切換實例調用 tcp_drop() 以檢查套接字的狀態。
如果狀態是 SYN_RCVD，則通過將狀態設置為 CLOSED 並調用 tcp_output() 發送 RST 段。tcp_close() 函數然後關閉套接字。tcp_close 函數更新路由度量結構的三個變數，然後釋放套接字持有的資源。
如果套接字不是偵聽套接字，則控制開始使用 soclose()，以檢查是否已存在附加到套接字的控制塊。如果不存在，則 sofree() 釋放套接字。如果存在，則調用具有 PRU_DETACH 的 tcp_usrreq() 將協議與套接字分離。PRU_DETACH 的切換實例調用 tcp_disconnect()，以檢查連接狀態是否為 ESTABLISHED。如果不是，則 tcp_disconnect() 調用 tcp_close()，以釋放 Internet 和控制塊。否則，tcp_disconnect() 檢查延遲時間和延遲套接字選項。如果設置了該選項，並且延遲時間為零，則調用 tcp_drop()。如果未設置，則調用 tcp_usrclosed()，以設置套接字的狀態，並調用 tcp_output()（如果需要發送 FIN 段）。
圖 12 顯示了 TCP 應用程序發布 close 系統調用時發生的重要調用。
Send
sendmsg ( struct proc*p, struct sendmsg_args *uap, int retval); struct sendmsg_args { int s; caddr_t msg; int flags; }; |
在 send 系統調用中：
n/w 介面上有四個要發送數據的系統調用：write、writev、sendto 和 sendmsg。本文僅討論 sendmsg() 系統調用。所有的四個調用最終調用 sosend()。儘管 send（進程調用的庫函數）、sendto 和 sendmsg 系統調用僅可以對套接字描述符操作，但 write 和 writev 系統調用則可以對任何類型的描述符操作。
sendmsg 系統調用將從進程發送的消息複製到內核空間，並調用 sendit()。在 sendit() 中，將初始化一個結構，以便從進程將輸出收集到內核中的內存緩衝區。還可以將地址和控制信息從進程複製到內核，然後調用 sosend()，以執行以下四項任務：
然後調用 tcp_usrreq()，並根據進程指定的標誌，控制切換到 PRU_SEND 或 PRU_SENDOOB（以發送帶區外數據）。對於 PRU_SENDOOB，發送緩衝區大小可以超過 512 位元組，將釋放任何分配的內存並中斷控制。否則，sbappend() 和 tcp_output() 函數由 PRU_SEND 和 PRU_SENDOOB 調用。sbappend() 在發送緩衝區的末尾添加數據，並且 tcp_output() 將該段發送到介面。
Receive
recvmsg(struct proc *p, struct recvmsg_args *uap , int *retval); struct recvmsg_args { int s, struct msghdr *msg, int flags, }; |
在 receive 系統調用中：
有四個系統調用可以用於從連接接收數據：read、readv、recvfrom 和 recvmsg。儘管 recv（進程使用的庫函數）、recvfrom 和 recvmsg 僅可以對套接字描述符操作，但 read 和 readv 可以對任何種類的描述符操作。所有的 read 系統調用最終調用 soreceive()。
圖 14 顯示了用於 recvmsg 系統調用的調用序列。recvmsg() 和 recvit() 函數初始化各種數組和結構，將接收的數據從內核發送到進程。recvit() 調用 soreceive()，以便將接收的數據從套接字緩衝區傳輸到接收緩衝區進程。soreceive() 函數執行各種檢查，如：
當設置 MSG_OOB 標誌時或數據接收完成後，soreceive() 函數進行與協議相關的請求。在接收帶區外數據的情況下，協議層檢查不同的條件，以驗證接收的數據是否為帶區外數據，然後將其返回到套接字層。在後一種情況中，協議層調用 tcp_output()，將窗口更新段發送到網路。它通知另一端任何空間都可用於接收數據。
結束語
在本文中，您學習了觸發低級別調用以完成某些任務的最重要的 TCP 函數調用。圖中的調用序列顯示了內核級 TCP 調用的簡要概述。本文是了解 FreeBSD TCP/IP 堆棧組織的很好起點。
（責任編輯：A6）
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