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tcp专题训练营之深度解析tcp/ip协议栈

大厂面试，udp不了解这些，何以过关

先看内核是如何组织TCP源端口号数据结构，我依然用一个图示表达，这比代码更加清晰一些：

以上这个结构在内核中叫做bhash，是TCP协议实现中3个核心hash之一，这3个hash结构分别是：

• bhash：维护连接的源端口号，以源端口号计算hash值
• ehash：维护establish连接，以四元组计算hash值
• lhash：维护侦听TCP，以{srcIP,srcPORT}二元组计算hash值

显然，关于如何确定源端口的问题就转化为了上述数据结构的查询，插入的问题，这个问题的解法是明确的，即：
为新的待确定源端口的连接socket查询到一个最优的插入位置并插入。

我们非常明确的一个目标就是：维持四元组的唯一性！

这无疑是一个搜索结构的操作问题。哈哈，又是一道面试题咯。

接下来要解决的是，在两个不同的场景下，如何操作以上这个数据结构。两个场景分别如下：

1. TCP socket在bind的时候
2. TCP socket在connect的时候

显然，在TCP进行bind的时候，由于此时并不确定目标是谁，无论是目标IP还是目标端口都不确定，甚至不晓得这个TCP是不是一个Listener，那么四元组的唯一性约束显然强化了不少，即： 必须保证{srcIP,srcPORT}二元组的唯一性！ 事实上此时我们要保证的是{srcIP,srcPORT,0,0}元组的唯一性。

与bind场景不同的是，如果一个socket事先没有bind，直接调用了connect，当我们调用connect的时候，此时确定的是{dstIP,dstPORT}元组，那么此时的约束就松了不少，也就是说要想保证四元组唯一性，这种场景下给我们的机会会更多一些。

具体来讲，我给出一个流程：

有了connect的场景分析，bind场景就再简单不过了，省略下面ehash的部分即可：

理清了关系之后，很简单是吧。这里讲的是TCP，对于UDP而言也一样适用，只不过UDP有更简单的解法。

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以上就是确定源端口的基本原则，然而在具体操作过程中，还有一个原则，即维护数据结构的平衡型，我们不希望单独的hash冲突链表过长，因为遍历一个冲突链表的时间复杂度是O(n)，这显然毫无可扩展性，所以在插入过程中需要 尽量插入到短的hash bucket链表中。

这就涉及到另一个问题，即：
图示中初始的探测端口port=pn如何选择的问题！

这里就是列维模型在起作用了！

物理类聚，这是普世真理。Linux内核在实现这个确定源端口的过程中，经过了几次进化，但万变不离其宗，对于TCP而言，Linux从一个随机确定的hash bucket开始探测，然后环状遍历所有的bhash bucket，对每一个bucket执行上面图示里的算法。

对于UDP而言，我劝大家review一下Linux内核2.6.18，3.10，4.9+的代码，这代表了三个进化阶段，起初在2.6.18版本时，UDP维护了一个全局的 udp_port_rover 变量，指示下一次探测可用源端口时从哪里开始，然而到了3.10，4.x版本，实现方式便起了变化，不再通过链表数据结构进行多次广度优先遍历，而是采用深度优先原则使用位图来实现，但这并没有改变实质。

代码并不难懂，相对于像屎一样的TCP拥塞控制算法的代码，这个要好很多，找 get_port 回调函数就好，然后看看 tcp_v4_connect 函数，大概10分钟应该可以读懂，我这里就不再赘述细节，记住一个原则，如果你要实现自己的算法，优先找最短的冲突链表进行遍历插入，你稍微费点事，带来的是整个系统性能的提升。

如下图，这就是列维模型！TCP和UDP确定源端口的算法绝对符合这个模型