【Linux】从内核角度理解 TCP 的 全连接队列（以及什么是 TCP 抓包）

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概念引入

我们知道，TCP的三次握手是由TCP协议 自动处理的，建立连接的过程与用户是否进行accept无关，accept()的作用主要是为当前连接创建一个套接字，用于进行后续的通信；

当服务器来不及进行accept时，底层的TCP listen sock依然允许建立三次握手，建立连接成功，但这个建立连接的数量是有限的：backlog + 1，这个长度就是全连接队列的长度

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理解全连接队列

我们根据上图得出几个结论：

1. 如图中所述：连接本质是内核中的一种结构体对象，当客户端向服务器发送连接请求时，会先进行三次握手，随后加入到全连接队列中去，如果此时服务器闲置，则会将全连接队列中的连接拿去一部分进行处理
2. 全连接队列的最大值是Backlog+1，不代表服务器只能同时处理Backlog+1个请求每次服务器会一次处理n个请求（全连接队列拿取）
3. 全连接队列既不能为空，也不能太长
   • 为空：增加服务的闲置率，减少给用户提供的效率
   • 太长：增加用户等待时间（如果全连接队列本就有连接，证明服务器已经来不及处理连接）；且增加空间浪费（需要给每个客户端连接创建额外的空间）

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内核方面理解

上面的图片基本揭示了当创建一个文件描述符后，是如何建立连接读取数据的

当创建文件描述符后，会经历以下过程：

1. 创建 struct file：

   • 当一个进程请求创建一个 socket 时，内核首先分配一个 struct file 结构体，这个结构体代表打开的文件或 socket，包含文件的类型、状态和指向实际数据的指针。

2. 创建 struct socket：

   • 接下来，内核会为该 socket 创建一个 struct socket 结构体。这个结构体包含了 socket 的相关信息，如协议类型（TCP、UDP等）和相关的操作函数指针。

3. 创建 struct tcp_socket：

   • 如果是 TCP socket，内核会在 struct socket 中创建一个 struct tcp_socket 结构体。这一结构体专门处理 TCP 协议的特定信息和操作。

4. 创建 struct inet_connection_sock：

   • struct tcp_socket 还包含一个 struct inet_connection_sock，它负责处理 TCP 连接的状态，包括全连接队列（accept queue）和半连接队列（syn queue）。

5. 包含 struct sock：

   • inet_connection_sock 中有一个 struct sock，这是网络协议栈的核心结构之一。struct sock 包含了许多关键信息，包括：
     • 读写缓冲区：用于存储接收到的数据和待发送的数据。
     • 状态信息：例如连接的状态（监听、已连接、关闭等）。

全连接队列与缓冲区

• 全连接队列：

  • 一旦 TCP 三次握手完成，连接会被加入到全连接队列中，这样服务器就可以处理这些连接。

• 读写缓冲区：

  • 当数据通过网络接收时，它会被存储在 struct sock 中的读缓冲区中，进程可以通过系统调用（如 recv）读取这些数据。
  • 类似地，待发送的数据会放入写缓冲区，直到发送完成。

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Tcp抓包

方法

Linux下的TCP抓包可以使用TCPDump ，TCPDump 是一款强大的网络分析工具， 主要用于捕获和分析网络上传输的数据包

1. 捕获所有网络接口上的 TCP 报文

使用以下命令可以捕获所有网络接口上传输的 TCP 报文：

sudo tcpdump -i any tcp

2. 捕获指定网络接口上的 TCP 报文

只想捕获某个特定网络接口上的 TCP 报文， 可以使用以下命令：

sudo tcpdump -i <interface> tcp

interface部分的网络接口可以通过ifconfig命令查看

3. 捕获特定源或目的 IP 地址的 TCP 报文

使用 host 关键字可以指定源或目的 IP 地址。 例如：

• 要捕获源 IP 地址为 192.168.0.8 的 TCP 报文， 可以使用以下命令：

sudo tcpdump src host 192.168.0.8 and tcp

• 要捕获目的 IP 地址为 192.168.0.9 的 TCP 报文， 可以使用以下命令：

sudo tcpdump dst host 192.168.0.9 and tcp

• 同时指定源和目的 IP 地址， 可以使用 and 关键字连接两个条件：

sudo tcpdump src host 192.168.0.8 and dst host 192.168.0.9 and tcp

4. 捕获特定端口的 TCP 报文

使用 port 关键字可以指定端口号。 例如， 要捕获端口号为 80 的 TCP 报文（通常是 HTTP 请求）：

sudo tcpdump port 80 and tcp

5. 保存捕获的数据包到文件

使用 -w 选项可以将捕获的数据包保存到文件中， 以便后续分析。 例如：

sudo tcpdump -i eth0 port 80 -w data.pcap

这个代码会把捕获到的 HTTP 流量保存到 data.pcap 文件中；
另外，pcap 后缀的文件与 PCAP（Packet Capture） 文件格式相关，即用于捕获网络数据包的文件格式

6. 从文件中读取数据包进行分析

使用 -r 选项可以从文件中读取数据包进行分析：

tcpdump -r data.pcap

该代码将读取 data.pcap 文件中的数据包并进行分析

注意事项

• 使用 tcpdump 时， 需要确保有足够的权限来捕获网络接口上的数据包。
• 使用 tcpdump 的时候， 有些主机名会被云服务器解释成为随机的主机名， 可以使用 -n 选项避免

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