《TCP/IP详解卷2：实现》笔记--协议控制块

协议层使用协议控制块（PCB）存放各UDP和TCP插口所要求的多个信息片。Internet协议维护Internet协议控制块

（internet protocol control block）和TCP控制块（TCP control block）。因为UDP是无连接的，所以一个端结点需要的

所有信息都在Internet PCB中找到，不存在UDP控制块。

Internet PCB含有所有UDP和TCP端结点共有的信息：外部和本地IP地址、外部和本地端号、IP首部原型、该端结点使用的

IP选项以及一个指向该端结点目的地址选路表入口的指针。TCP控制块包含了TCP为各连接维护的所有结点信息：两个方向

的序号、窗口大小、重传次数等等。

下图总结了协议控制块以及它们与file和socket结构之间的关系。

图中有几个要点要考虑：
1.当socket或accept创建一个插口后，插口层生成一个file结构和一个socket结构。文件类型是DTYPE_SOCKET，UDP端结点
的插口类型是SOCK_DGRAM，TCP端结点插口类型是SOCK_STREAM。
2.然后调用协议层。UDP创建一个Internet PCB（一个inpcb结构），并把它链接到socket结构上：so_pcb成员指向inpcb结构，
inp_socket成员指向socket结构。

3.TCP做同样的工作，也创建它自己的控制块（一个inpcb结构），并用指针inp_ppcb和t_inpcb把它链接到inpcb上。在两个

UDP inpcb中，inp_ppcb成员是一个空指针，因为UDP不负责维护它自己的控制块。
4.我们显示的其他四个inpcb结构的成员，从inp_faddr到inp_lport,形成了该端结点的插口对：外部IP地址和端口号，以及
本地IP地址和端口号。
5.UDP和TCP用指针inp_next和inp_prev维护一个所有Internet PCB的双向链表。他们在表头分配一个全局inpcb（命名为udb
和tcb），在该结构中使用三个成员：下一个和前一个指针，以及本地端口号。后一个成员中包含了该协议使用的下一个临时
端口号。
Internet PCB是一个传输层数据结构。TCP、UDP和原始IP使用它，但是IP、ICMP或IGMP不用它。

1.inpcb的结构

下图是inpcb结构的定义。

inp_next和inp_prev为UDP和TCP的所有PCB形成一个双向链表。另外，每个PCB都有一个指向协议链表表头的指针（inp_head）。
对UDP表上的PCB，inp_head总是指向udb。
inp_faddr、inp_fport、inp_laddr和inp_lport，包含了这个IP端结点的插口对：外部IP地址和端口号，以及本地IP地址和
端口号。PCB中以网络字节序维护这四个值。
inp_socket是一个指向该PCB的socket结构的指针，inp_ppcb是一个指针，它指向这个PCB的可选运输层专用控制块。inp_ppcb
和TCP一起指向对应的tcpcb，而UDP不使用它。
如果ip有一个到外部地址的路由，则它被保存在ipp_route入口处。当收到一个ICMP重定向报文时，将扫描所有Internet PCB，
找到那些外部IP地址和重定向IP地址匹配的PCB，将其inp_route入口标记成无效。当再次将该PCB用于输出时，迫使IP重新找
一条到该外部地址的新路由。
inp_flag成员存放几个标志。下图显示了各标志。

PCB中维护一个IP首部的备份，但它只使用其中的两个成员，TOS和TTL。TOS被初始化成0，TTL被运输层初始化。TCP和UDP都
把TTL默认值设为64。进程可以用IP_TOS或IP_TTL插口选项改变这些默认值，新的记录在inpcb-inp_ip结构中。以后，TCP和
UDP在发送IP数据报时，却把该结构用作原型IP首部。
进程也可以用IP_OPTIONS插口选项设置外出数据报的IP选项，函数ip_pcbopts把调用方选项的备份存放在一个mbuf中，
inp_option成员是一个指向该mbuf的指针。每次TCP和UDP调用ip_output函数时，就把一个指向这些IP首部的指针传给IP，IP
将其插到出去的IP数据报中。类似地，inp_moptions成员是一个指向用户IP多播选项备份的指针。

2.in_pcballoc和in_pcbdetach函数

在创建插口时，TCP、UDP和原始IP会分配一个InternetPCB。通过发布PRU_ATTACH请求后，调用in_pcballoc函数实现：函数
调用内核的内存分配器，分配一个inpcb，然后进行初始化，最后被加到协议的双向链表上。
在发布PRU_DETACH请求后，释放一个Internet PCB，这是在关闭插口时发生的。通过把PCB从协议的双向链表中移走，该PCB
使用的内存被返回给内核。

3.绑定、连接和分用

1.绑定本地IP地址和端口号。
下图是进程在调用bind时可以指定的本地IP地址和本地端口号的六种组合。

如果客户程序试图绑定一个已经被其他插口使用的本地端口时会发生什么情况。默认情况下，如果一个端口已经被使用，进程
是不能绑定它的。如果发生这种情况，则返回EADDRINUSE差错（地址正在被使用）。正在被使用的定义很简单，就是只要存在
一个PCB，就把该端口作为它的本地端口。“正在被使用”的概念是相对于绑定协议的：TCP或UDP，因为TCP端口号与UDP端口号
无关。
Net/3允许进程指定一下两个插口选项来改变这个默认行为。

SO_REUSEADDR：

SO_REUSEADDR允许启动一个监听服务器并捆绑其众所周知端口，即使以前建立的将此端口用做他们的本地端口的连接仍存在。

这通常是重启监听服务器时出现，若不设置此选项，则bind时将出错。

SO_REUSEADDR允许在同一端口上启动同一服务器的多个实例，只要每个实例捆绑一个不同的本地IP地址即可。对于TCP，我

们根本不可能启动捆绑相同IP地址和相同端口号的多个服务器。

SO_REUSEADDR允许单个进程捆绑同一端口到多个套接口上，只要每个捆绑指定不同的本地IP地址即可。这一般不用于TCP服

务器。

SO_REUSEADDR允许完全重复的捆绑：当一个IP地址和端口绑定到某个套接口上时，还允许此IP地址和端口捆绑到另一个套接

口上。一般来说，这个特性仅在支持多播的系统上才有，而且只对UDP套接口而言（TCP不支持多播）。

SO_REUSEPORT：

允许进程重用IP地址和端口号，但是包含第一个在内的各个IP地址和端口号，必须指定这个插口选项。

2.连接一个UDP插口

我们通常把connect系统调用和TCP客户联系起来，但是UDP客户或UDP服务器也可以可能调用connect，为插口指定外部IP地址

和外部端口号，这就限制插口必须只与某个特定对方交换UDP数据报。

当连接UDP插口时，会有一个副作用：本地IP地址，如果在调用bind是没有指定，会自动被connect设置，它被设成由IP选路指定

对方所选择的本地接口地址。

下图显示了UDP插口的三种不同状态，以及函数为终止各状态调用的伪代码。

前三个状态叫做已连接的UDP插口，后两个叫做未连接的UDP插口，两个没有连接上的UDP插口的区别在于，第一个具有

一个完全指定的本地地址，而第二个具有一个通配本地IP地址。

3.分用TCP接收和IP数据报

下图显示了主机上三个Telnet服务器的状态。前两个插口处于LISTEN状态，等待进入的连接请求。第三个连接到IP地址是

140.252.1.11的主机上的端口1500。第一个监听插口处理在接口140.252.1.29上到达的连接请求，第二个监听将处理所有

其他接口。

当TCP收到一个目的端口是23的报文段时，它调用in_pcblookup，搜索它的整个Internet PCB表，找到一个匹配，它由优先

权，因为它的通配数最少。为了确定通配匹配数，我们只考虑本地和外部IP地址，不考虑外部端口号。本地端口号必须匹配，

否则我们甚至不考虑PCB。通配数可以是0,1,2。

4.分用UDP接收的IP数据报

UDP数据报的交付比我们刚才研究的TCP例子要复杂得多，因为可以把UDP数据报发送到一个广播或多播地址。Net/3的规则

是：

1)把目的地是广播IP地址或多播IP地址的到达UDP数据报交付给所有匹配的插口。这里没有最好的匹配的概念。

2)把目的地是单播IP地址的到达UDP数据报只交付给一个匹配的插口，就是具有最小匹配数的插口。如果有多个插口具有相同

最小通配匹配数，那么具体由哪个插口来接收到达数据报依赖与不同的实现。

4.in_pcblookup函数

in_pcblookup函数有几个作用：

1.当TCP或UDP收到一个IP数据报时，in_pcblookup扫描协议的Internet PCB表，寻找一个匹配的PCB，来接收该数据报。

这是运输层对收到的数据报的分用。

2.当进程执行bind系统调用，为某个插口分配一个本地IP地址和本地端口号，协议调用in_pcbbind，验证请求的本地地址

对没有被使用。

3.当进程执行bind系统调用，请求给它的插口分配一个临时端口时，内核选了一个临时端口，并调用in_pcbbind检查该端

口是否正在被使用，如果正在被使用，就试下一个端口，以此类推，直到找到一个没有被使用的端口号。

4.当进程显式或隐式地执行connect系统调用时，in_pcbbind验证请求的插口对是唯一的。

在第2,3,4种情况下，in_pcbbind调用in_pcblookup。

5.in_pcbbind函数

in_pcbbind把一个本地地址和端口号绑定到一个插口上。从五个函数中调用它：

1.bind为某个TCP插口调用（通常绑定到服务器的一个知名端口上）

2.bind为某个UDP插口调用（绑定到服务器的一个知名端口上，或者绑定到客户插口的一个临时端口上）

3.connect为某个TCP插口调用，如果该插口还没有绑定到一个非零端口上（对TCP客户来说，这是一种典型情况）

4.listen为某个TCP插口调用，如果该插口还没有绑定到一个非零端口（这很少见，因为是TCP服务器调用listen，TCP服务器

通常绑定到一个知名端口上，而不是临时端口）

5.从in_pcbconnect调用，如果本地IP地址和本地端口号被置位。

其中1,2为显示绑定，3,4,5为隐式绑定。

6.in_pcbconnect函数

函数in_pcbconnect为插口指定IP地址和外部端口号。有四个函数调用它：

1.connect为某个TCP插口（某个TCP客户的请求）调用。

2.connect为某个UDP插口（对UDP客户是可选的，UDP服务器很少见）调用。

3.当在一个没有连接上的UDP插口上输出数据报时从sendto调用。

4.当一个连接请求（一个SYN报文段）到达一个处于LISTEN状态（对TCP服务器是标准的）的TCP插口时，tcp_input调用。

7.in_pcbdisconnect函数

in_pcbdisconnect把UDP插口断连。把外部IP地址设成全0，外部端口设成0，就把外部相关内容删除了。

这是在已经在一个未连接的UDP插口上发送一个数据报后，在一个连接上的UDP插口上调用connect时做的。在第一种情况

下，调用sendto的次序是：UDP调用in_pcbconnect把插口临时连接到目的地，udp_output发送数据报，然后in_pcbdisconnect

删除临时连接。

当关闭插口时，不调用in_pcbdisconnect，因为in_pcbdetach处理释放PCB。只有当一个不同的地址或端口号要求重用该PCB

时，才断连。

8.in_pcbnotify、in_rtchange和in_losing函数

当收到一个ICMP差错时，调用in_pcbnotify函数，把差错通知给合适的进程。把差错通知给合适的进程。通过对所有的PCB

搜索一个协议（TCP或UDP），并把本地和外部IP地址及端口号与ICMP差错返回的值进行比较，找到合适的进程。例如，当

因为一些路由器丢掉了某个TCP报文段而收到ICMP源抑制差错时，TCP必须找到产生该差错的连接的PCB，放慢在该连接

上的传输速度。

下图显示了处理ICMP差错时调用的函数。

当收到一个ICMP报文时，调用icmp_input。icmp的五种报文按照差错来划分：

目的主机不可达

参数问题

重定向

源抑制

超时

每个协议都定义了它的控制输入函数，即protosw机构中pr_ctlinput。对TCP和UDP，他们分别是tcp_ctlinput和udp_cltinput。

因为收到的ICMP差错中包含了引起差错的数据报的IP首部，所有引起该差错的协议是已知的。这五个ICMP差错中的四个将引起

对协议的控制输入函数的调用。