漫画 | 理解了TCP连接的实现以后，客户端的并发也爆发了！
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· 2021-01-13
echo "5000 65000" > /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
连接1：192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8090 连接2：192.168.1.101 5001 192.168.1.100 8090 连接N：192.168.1.101 ... 192.168.1.100 8090 连接6W：192.168.1.101 65000 192.168.1.100 8090
//修改整个系统能打开的文件描述符为20W
echo 200000 > /proc/sys/fs/file-max
//修改所有用户每个进程可打开文件描述符为20W
#vi /etc/sysctl.conf
fs.nr_open=210000
#sysctl -p
#vi /etc/security/limits.conf
* soft nofile 200000
* hard nofile 200000
注意: limits中的hard limit不能超过nr_open, 所以要先改nr_open。而且最好是在sysctl.conf中改。避免重启的时候 hard limit生效了，nr_open不生效导致启动问题。
“socket中有一个主要的数据结构sock_common，在它里面有两个联合体。”
// file: include/net/sock.h
struct sock_common {
union {
__addrpair skc_addrpair; //TCP连接IP对儿
struct {
__be32 skc_daddr;
__be32 skc_rcv_saddr;
};
};
union {
__portpair skc_portpair; //TCP连接端口对儿
struct {
__be16 skc_dport;
__u16 skc_num;
};
};
......
}
“其中skc_addrpair记录的是TCP连接里的IP对儿，skc_portpair记录的是端口对儿。”
“在网络包到达网卡之后，依次经历DMA、硬中断、软中断等处理，最后被送到socket的接收队列中了。”
“对于TCP协议来说，协议处理的入口函数是tcp_v4_rcv。我们看一下它的代码”
// file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
......
th = tcp_hdr(skb); //获取tcp header
iph = ip_hdr(skb); //获取ip header
sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, th->source, th->dest);
......
}
// file: include/net/inet_hashtables.h
static inline struct sock *__inet_lookup(struct net *net,
struct inet_hashinfo *hashinfo,
const __be32 saddr, const __be16 sport,
const __be32 daddr, const __be16 dport,
const int dif)
{
u16 hnum = ntohs(dport);
struct sock *sk = __inet_lookup_established(net, hashinfo,
saddr, sport, daddr, hnum, dif);
return sk ? : __inet_lookup_listener(net, hashinfo, saddr, sport,
daddr, hnum, dif);
}
“先判断有没有连接状态的socket，这会走到__inet_lookup_established函数中”
struct sock *__inet_lookup_established(struct net *net,
struct inet_hashinfo *hashinfo,
const __be32 saddr, const __be16 sport,
const __be32 daddr, const u16 hnum,
const int dif)
{
//将源端口、目的端口拼成一个32位int整数
const __portpair ports = INET_COMBINED_PORTS(sport, hnum);
......
//内核用hash的方法加速socket的查找
unsigned int hash = inet_ehashfn(net, daddr, hnum, saddr, sport);
unsigned int slot = hash & hashinfo->ehash_mask;
struct inet_ehash_bucket *head = &hashinfo->ehash[slot];
begin:
//遍历链表，逐个对比直到找到
sk_nulls_for_each_rcu(sk, node, &head->chain) {
if (sk->sk_hash != hash)
continue;
if (likely(INET_MATCH(sk, net, acookie,
saddr, daddr, ports, dif))) {
if (unlikely(!atomic_inc_not_zero(&sk->sk_refcnt)))
goto begintw;
if (unlikely(!INET_MATCH(sk, net, acookie,
saddr, daddr, ports, dif))) {
sock_put(sk);
goto begin;
}
goto out;
}
}
}
// include/net/inet_hashtables.h
#define INET_MATCH(__sk, __net, __cookie, __saddr, __daddr, __ports, __dif) \
((inet_sk(__sk)->inet_portpair == (__ports)) && \
(inet_sk(__sk)->inet_daddr == (__saddr)) && \
(inet_sk(__sk)->inet_rcv_saddr == (__daddr)) && \
(!(__sk)->sk_bound_dev_if || \
((__sk)->sk_bound_dev_if == (__dif))) && \
net_eq(sock_net(__sk), (__net)))
“在INET_MATCH中将网络包tcp header中的__saddr、__daddr、__ports和Linux中的socket中inet_portpair、inet_daddr、inet_rcv_saddr进行对比。如果匹配socket就找到了。当然除了ip和端口，INET_MATCH还比较了其它一些东东，所以TCP还有五元组、七元组之类的说法。”
# cat /etc/redhat-release
Red Hat Enterprise Linux Server release 6.2 (Santiago)
# ss -ant | grep ESTAB |wc -l
1000013
# cat /proc/meminfo
MemTotal: 3925408 kB
MemFree: 97748 kB
Buffers: 35412 kB
Cached: 119600 kB
......
Slab: 3241528 kB
总结
客户端每建立一个连接就要消耗一个端口，所以很多同学当看到客户端机器上连接数一旦超过3W、5W就紧张的不行，总觉得机器要出问题了。
这篇文章的第一版也是很早就写出来了，不过飞哥又打磨了好长时间才算满意。在文中我们展示了一下 TCP socket的部分内核代码。通过源码来看：
TCP连接就是在客户机、服务器上的一对儿的socket。它们都在各自内核对象上记录了双方的ip对儿、端口对儿（也就是我们常说的四元组），通过这个在通信时找到对方。
TCP连接发送方在发送网络包的时候，会把这份信息复制到IP Header上。网络包带着这份信物穿过互联网，到达目的服务器。目的服务器内核会按照 IP 包 header 中携带的信物（四元组）去匹配找到正确的socket(连接)。
在这个过程里我们可以看到，客户端的端口只是这个四元组里的一元而已。哪怕两条连接用的是同一个端口号，只要客户端ip不一样，或者是服务器不一样都不影响内核正确寻找到对应的连接，而不会串线！
所以在客户端增加TCP最大并发能力有两个方法。第一个办法，为客户端配置多个ip。第二个办法，连接多个不同的server。
不过这两个办法最好不要混用。因为使用多 IP 时，客户端需要bind。一旦bind之后，内核建立连接的时候就不会选择用过的端口了。bind函数会改变内核选择端口的策略~~
最后我们亲手实验证明了客户端也可以突破百万的并发量级。相信读过此文的你，以后再也不用再惧怕65535这个数字了。
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