1. 请求队列概述

TCP服务器端程序首先创建一个监听套接字，一旦有客户端连接该监听套接字，那么会创建一个新的通信套接字用来和客户端通信，而监听套接字继续等待其它客户端的连接请求。这期间就是三次握手过程，这个过程可能会失败，所以为了管理这期间的套接字，TCP协议特意定义了一组数据结构。这篇笔记的目的就是把这几个核心数据结构之间的关系理清楚，先来一张整体结构图，对着结构图看下面的数据结构定义会更容易理解。
在这里插入图片描述

2. 面向连接的套接字 inet_connection_sock

每个面向连接的套接字都是一个struct inet_connection_sock，该结构中有一个成员isck_accept_queue，该成员就是所谓的连接管理队列，用来管理所有正在进行三次握手、或者已经完成三次握手等待accept()的套接字。

注意：客户端套接字并不使用该队列，因为没有使用的必要。

/** inet_connection_sock - INET connection oriented sock
 *
 * @icsk_accept_queue:	   FIFO of established children 
 */

struct inet_connection_sock {
	...
	struct request_sock_queue icsk_accept_queue;
}

2.1 连接建立队列 request_sock_queue

struct request_sock_queue {
	//head和tail用于维护已经完成三次握手，等待用户程序accept的套接字，
	//后续称该队列为“accept连接队列”，其中的套接字为“已连接套接字”
	struct request_sock	*rskq_accept_head;
	struct request_sock	*rskq_accept_tail;
    
	//用于同步对listen_opt的操作
	rwlock_t		syn_wait_lock;
	//与TCP选选TCP_DEFER_ACCEPT有关，暂时忽略
	u8			rskq_defer_accept;
	/* 3 bytes hole, try to pack */
    
	//已经收到SYN，但是尚未完成三次握手的套接字保存在该结构中，其占用内存在listen()
	//系统调用期间分配，后续称该队列为“SYN请求队列”，其中的套接字为“半连接套接字”
	struct listen_sock	*listen_opt;
};

2.2 SYN请求队列 listen_sock

struct listen_sock {
	//其取值为nr_table_entries以2为底的对数
	u8			max_qlen_log;
	/* 3 bytes hole, try to use */
	//当前syn_table哈希表中套接字的数目，即有多少个半连接套接字
	int			qlen;
	//服务器端会超时重传SYN+ACK段，该变量记录了那些还尚未重传过SYN+ACK段的套接字个数
	int			qlen_young;
    
	int			clock_hand;
	//该随机数用于访问listen_opt哈希表时计算哈希值
	u32			hash_rnd;
	
	//syn_table哈希表的桶大小，该值和listen()系统调用的backlog参数有关
	u32			nr_table_entries;
	//半连接套接字哈希表，管理的元素就是连接请求块，见下方
	struct request_sock	*syn_table[0];
};

3. 连接请求块 request_sock

类似于一般的套接字，有struct tcp_sock这样的TCB对应，已连接套接字和半连接套接字也同样需要一个类似的TCB，不过它们对应的不是struct tcp_sock，而是这里要介绍的struct tcp_request_sock。该结构同样是分层次的，依次是struct tcp_request_sock、struct inet_request_sock、struct request_sock下面是该结构的定义。

3.1 struct tcp_request_sock

struct tcp_request_sock {
	struct inet_request_sock req;

#ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG
	/* Only used by TCP MD5 Signature so far. */
	const struct tcp_request_sock_ops *af_specific;
#endif
	//客户端SYN段中携带的seq，即客户端的初始序列号 */
	u32 rcv_isn; 
	//SYN+ACK段携带的seq，即服务器端的初始序列号
	u32 snt_isn;
	//SYN+ACK段发送的时间戳，基于jiffies
	u32 snt_synack;
};

struct inet_request_sock {
    struct request_sock req;

#if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)
    u16 inet6_rsk_offset;
#endif

    __be16 loc_port; /* 服务器端端口号 */
    __be32 loc_addr; /* 服务器端IP地址 */
    __be32 rmt_addr; /* 客户端IP地址 */
    __be16 rmt_port; /* 客户端端口号 */

    kmemcheck_bitfield_begin(flags);
    u16 snd_wscale : 4, /* 客户端的窗口扩大因子 */
        rcv_wscale : 4, /* 服务器端的窗口扩大因子 */
        tstamp_ok : 1, /* 标识本连接是否支持TIMESTAMP选项 */
        sack_ok : 1, /* 标识本连接是否支持SACK选项 */
        wscale_ok : 1, /* 标识本连接是否支持Window Scale选项 */
        ecn_ok : 1, /* 标识本连接是否支持ECN选项 */
        acked : 1,
        no_srccheck : 1;
    kmemcheck_bitfield_end(flags);

    struct ip_options_rcu *opt; /* IP选项 */
};

/* struct request_sock - mini sock to represent a connection request
 */
struct request_sock {
	//和其它struct request_sock对象形成链表
	struct request_sock		*dl_next; /* Must be first member! */
	//SYN段中客户端通告的MSS
	u16				mss;
	//SYN+ACK段已经重传的次数，初始化为0
	u8				retrans;
	u8				__pad;
	u32				window_clamp; /* window clamp at creation time */
	u32				rcv_wnd;	  /* rcv_wnd offered first time */
	u32				ts_recent;
	//SYN+ACK段的超时时间
	unsigned long			expires;
	//指向tcp_request_sock_ops,该函数集用于处理第三次握手的
	//ACK段以及后续accept过程中struct tcp_sock对象的创建
	const struct request_sock_ops	*rsk_ops;
	//连接建立前无效，建立后指向创建的tcp_sock结构
	struct sock			*sk;
	u32				secid;
	u32				peer_secid;
};

3.1.1 操作函数 struct tcp_request_sock_ops

struct request_sock_ops {
    int family; /* 所属的协议族 */
    int obj_size; /* 连接请求块的大小 */
    struct kmem_cache *slab; /* 连接请求块的高速缓存 */
    char *slab_name;

    //SYN+ACK段重传时调用该函数
    int (*rtx_syn_ack) (struct sock *sk, struct request_sock *req, struct request_values *rvp);

    //发送ACK段时调用该函数
    void (*send_ack) (struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct request_sock *req);

    //发送RST段时调用该函数
    void (*send_reset) (struct sock *sk, struct sk_buff *skb);

    //析构函数
    void (*destructor) (struct request_sock *req);

    //SYN+ACK段超时处理函数
    void (*syn_ack_timeout) (struct sock *sk, struct request_sock *req);
};

//TCP的实际定义
struct request_sock_ops tcp_request_sock_ops__read_mostly = {
    .family = PF_INET,
    .obj_size = sizeof(struct tcp_request_sock),

    .rtx_syn_ack = tcp_v4_rtx_synack,
    .send_ack = tcp_v4_reqsk_send_ack,
    .destructor = tcp_v4_reqsk_destructor,
    .send_reset = tcp_v4_send_reset,
    .syn_ack_timeout = tcp_syn_ack_timeout,
};

linux 内核协议栈 TCP之连接请求队列