Linux TCP bind和listen函数深入解析

1. 网络命名空间与backlog参数

backlog参数受具体网络命名空间限制，可以通过以下方式验证：

# 检查默认网络命名空间的somaxconn限制
cat /proc/sys/net/core/somaxconn

# 创建新网络命名空间
ip netns add mynamespace

# 在新命名空间中检查并修改somaxconn
ip netns mynamespace exec cat /proc/sys/net/core/somaxconn
ip netns mynamespace exec /bin/sh -c "echo 1024 > /proc/sys/net/core/somaxconn"

# 验证修改只影响新命名空间
ip netns mynamespace exec cat /proc/sys/net/core/somaxconn
cat /proc/sys/net/core/somaxconn

2. 使用procfs收集TCP套接字信息

/proc/net/tcp文件提供了TCP套接字的详细信息：

sl  local_address rem_address   st tx_queue rx_queue 
0: 00000000:0016 00000000:0000 0A 00000000:00000000

• local_address: 本地IP:端口(16进制)
• rem_address: 远程IP:端口(16进制)
• st: 连接状态(16进制)，如0A表示LISTEN
• tx_queue/rx_queue: 发送/接收队列大小

TCP状态对应关系(来自include/net/tcp_states.h)：

enum {
    TCP_ESTABLISHED = 1,
    TCP_SYN_SENT,
    TCP_SYN_RECV,
    TCP_FIN_WAIT1,
    TCP_FIN_WAIT2,
    TCP_TIME_WAIT,
    TCP_CLOSE,
    TCP_CLOSE_WAIT,
    TCP_LAST_ACK,
    TCP_LISTEN,    // 10 (0x0A)
    TCP_CLOSING,
    TCP_NEW_SYN_RECV,
    TCP_MAX_STATES
};

3. 检查侦听套接字的backlog参数

使用ss命令可以查看侦听套接字的backlog信息：

ss --info --tcp --listen --extended

输出示例：

State    Recv-Q Send-Q 
LISTEN   0      128

• Recv-Q: 等待被接受的连接数
• Send-Q: backlog的最大长度

ss通过netlink而非procfs获取信息，使用sock_diag子系统，特别是UDIAG_SHOW_RQLEN标志：

• udiag_rqueue: 对于侦听套接字，表示挂起连接数
• udiag_wqueue: 对于侦听套接字，表示backlog长度(即listen()的第二个参数值)

4. IPv4协议族中listen函数的内部机制

4.1 inet_listen函数

int inet_listen(struct socket *sock, int backlog) {
    struct sock *sk = sock->sk;
    unsigned char old_state;
    int err, tcp_fastopen;
    
    // 检查套接字状态和类型
    err = -EINVAL;
    if (sock->state != SS_UNCONNECTED || sock->type != SOCK_STREAM)
        goto out;
    
    // TCP Fast Open相关处理(省略)
    
    // 初始化侦听套接字
    err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
    if (err)
        goto out;
    
    // 设置backlog值
    sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
    err = 0;
    
out:
    return err;
}

4.2 inet_csk_listen_start函数

int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, int backlog) {
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    int err = -EADDRINUSE;
    
    // 初始化接受队列
    reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue);
    
    // 设置backlog参数
    sk->sk_max_ack_backlog = backlog;
    sk->sk_ack_backlog = 0;
    
    inet_csk_delack_init(sk);
    
    // 设置套接字状态为LISTEN
    sk_state_store(sk, TCP_LISTEN);
    
    // 尝试绑定端口
    if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->inet_num)) {
        inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);
        sk_dst_reset(sk);
        err = sk->sk_prot->hash(sk);
        if (likely(!err))
            return 0;
    }
    
    // 出错处理
    sk->sk_state = TCP_CLOSE;
    return err;
}

4.3 未绑定端口的情况

如果listen前未绑定端口，内核会通过inet_csk_get_port自动选择临时端口：

int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum) {
    // ...
    if (!port) {  // 如果未指定端口(port == 0)
        head = inet_csk_find_open_port(sk, &tb, &port);
        if (!head)
            return ret;
        if (!tb)
            goto tb_not_found;
        goto success;
    }
    // ...
}

5. 连接队列监控指标

5.1 队列溢出指标

当接收队列满时，内核会记录ListenOverflows：

# 查看监听队列溢出次数
cat /proc/net/netstat | grep ListenOverflows
# 或使用netstat
netstat --statistics | grep 'times the listen queue of a socket overflowed'

内核中相关代码(tcp_v4_syn_recv_sock)：

if (sk_acceptq_is_full(sk))
    goto exit_overflow;

exit_overflow:
    NET_INC_STATS(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);

5.2 SYN队列监控

当SYN队列接近满载时，会触发TCPReqQFullDrop或TCPReqQFullDoCookies(取决于是否启用SYN cookie)，相关代码在tcp_conn_request中。

查看SYN-RECV状态的连接数：

ss --numeric state syn-recv sport = :1337

6. 关键概念总结

1. 两个队列：

   • SYN队列：存储未完成三次握手的连接
   • Accept队列：存储已完成三次握手但未被accept的连接

2. backlog参数：

   • 由listen()函数的第二个参数指定
   • 受/proc/sys/net/core/somaxconn限制
   • 每个网络命名空间可以有不同的设置

3. 监控工具：

   • /proc/net/tcp：基础TCP套接字信息
   • ss：更详细的套接字信息，包括backlog
   • /proc/net/netstat：系统级TCP统计信息

4. 错误处理：

   • ListenOverflows：Accept队列满导致的错误
   • TCPReqQFullDrop/TCPReqQFullDoCookies：SYN队列满导致的错误

通过理解这些底层机制，可以更好地调优TCP服务器性能和诊断相关问题。