TCP连接中客户端的端口号是如何确定的？
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作者 | 张彦飞allen
出品 | 开发内功修炼（ID：kfngxl）
在 TCP 连接中，客户端在发起连接请求前会先确定一个客户端端口，然后用这个端口去和服务器端进行握手建立连接。那么在 Linux 上，客户端的端口到底是如何被确定下来的呢？
事实上很多我们平时遇到的问题都和这个端口选择过程相关，如果能深度理解这个过程，将有助于我们对这些问题的深刻理解。
Cannot assign requested address 报错是怎么回事？ 一个客户端端口可以同时用在两条 TCP 连接上吗？
还是让我们借助一段简单到只有两句的代码，从这个来讲起！
int main(){
fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
connect(fd, ...);
...
}
一、创建 socket
客户端在发起连接的时候，需要事先创建一个 socket。在 c 语言中，就是调用 socket 函数，例如 socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0) 这句。
socket 函数执行完毕后，在用户层视角我们是看到返回了一个文件描述符 fd。但在内核中其实是一套内核对象组合，大体结构如下。
从上图我们看到，socket 在内核里并不是一个内核对象。而是包含 file、socket、sock 等多个相关内核对象构成，每个内核对象还定义了 ops 操作函数集合。在后面的内核源码执行过程中，我们需要时不时回头来看这些内核对象，这里先简单了解一下就行。
这些内核对象都是在 socket 系统调用执行过程中创建出来的。为了避免喧宾夺主，这里只列出入口代码，详细过程就不展开介绍了。
//file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
//创建 socket、sock 等内核对象，并初始化
sock_create(family, type, protocol, &sock);
//创建 file 内核对象，申请 fd
sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
......
}
二、connect 发起连接
接下来我们就进入到 connect 函数的执行过程中来。由于这个过程比较长，所以我们分成几个小节来进行讨论。
2.1 connect 调用链展开
当我们在客户端机上调用 connect 函数的时候，事实上会进入到内核的系统调用源码中进行执行。
//file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE3(connect, int, fd, struct sockaddr __user *, uservaddr,
int, addrlen)
{
struct socket *sock;
//根据用户 fd 查找内核中的 socket 对象
sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
//进行 connect
err = sock->ops->connect(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen,
sock->file->f_flags);
...
}
这段代码首先根据用户传入的 fd（文件描述符）来查询对应的 socket 内核对象。在第一节中我们看了 socket 内核对象结构，据此可以知道接下来 sock->ops->connect 其实调用的是 inet_stream_connect 函数。
//file: ipv4/af_inet.c
int inet_stream_connect(struct socket *sock, ...)
{
...
__inet_stream_connect(sock, uaddr, addr_len, flags);
}
int __inet_stream_connect(struct socket *sock, ...)
{
struct sock *sk = sock->sk;
switch (sock->state) {
case SS_UNCONNECTED:
err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
sock->state = SS_CONNECTING;
break;
}
...
}
刚创建完毕的 socket 的状态就是 SS_UNCONNECTED，所以在 __inet_stream_connect 中的 switch 判断会进入到 case SS_UNCONNECTED 的处理逻辑中。
上述代码中 sk 取的是 sock 对象。继续回顾第一节中 socket 的内核数据结构图，可以得知 sk->sk_prot->connect 实际上对应的是 tcp_v4_connect 方法。
我们来看 tcp_v4_connect 的代码，它位于 net/ipv4/tcp_ipv4.c。
//file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
//设置 socket 状态为 TCP_SYN_SENT
tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);
//动态选择一个端口
err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);
//函数用来根据 sk 中的信息，构建一个完成的 syn 报文，并将它发送出去。
err = tcp_connect(sk);
}
在 tcp_v4_connect 中我们终于看到了选择端口的函数，那就是 inet_hash_connect。
2.2 选择可用端口
我们找到 inet_hash_connect 的源码，我们来看看到底端口是如何选择出来的。
//file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int inet_hash_connect(struct inet_timewait_death_row *death_row,
struct sock *sk)
{
return __inet_hash_connect(death_row, sk, inet_sk_port_offset(sk),
__inet_check_established, __inet_hash_nolisten);
}
这里需要提一下在调用 __inet_hash_connect 时传入的两个重要参数。
inet_sk_port_offset(sk)：这个函数是根据要连接的目的 IP 和端口等信息生成一个随机数。 __inet_check_established：检查是否和现有 ESTABLISH 的连接是否冲突的时候用的函数
了解了这两个参数后，让我们进入 __inet_hash_connect。这个函数比较长，为了方便理解，我们先看前面这一段。
//file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...)
{
//是否绑定过端口
const unsigned short snum = inet_sk(sk)->inet_num;
//获取本地端口配置
inet_get_local_port_range(&low, &high);
remaining = (high - low) + 1;
if (!snum) {
//遍历查找
for (i = 1; i <= remaining; i++) {
port = low + (i + offset) % remaining;
...
}
}
}
在这个函数中首先判断了 inet_sk(sk)->inet_num，如果我们调用过 bind，那么这个函数会选择好端口并设置在 inet_num 上。这个我们后面专门分一小节介绍。这里我们假设没有调用过 bind，所以 snum 为 0。
接着调用 inet_get_local_port_range，这个函数读取的是 net.ipv4.ip_local_port_range 这个内核参数。来读取管理员配置的可用的端口范围。
该参数的默认值是 32768 61000，意味着端口总可用的数量是 61000 - 32768 = 28232 个。如果你觉得这个数字不够用，那就修改你的 net.ipv4.ip_local_port_range 内核参数。
接下来进入到了 for 循环中。其中offset 是我们前面说的，通过 inet_sk_port_offset(sk) 计算出的随机数。那这段循环的作用就是从某个随机数开始，把整个可用端口范围来遍历一遍。直到找到可用的端口后停止。
那么我们接着来看，如何来确定一个端口是否可以使用呢？
//file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...)
{
for (i = 1; i <= remaining; i++) {
port = low + (i + offset) % remaining;
//查看是否是保留端口，是则跳过
if (inet_is_reserved_local_port(port))
continue;
// 查找和遍历已经使用的端口的哈希链表
head = &hinfo->bhash[inet_bhashfn(net, port,
hinfo->bhash_size)];
inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain) {
//如果端口已经被使用
if (net_eq(ib_net(tb), net) &&
tb->port == port) {
//通过 check_established 继续检查是否可用
if (!check_established(death_row, sk,
port, &tw))
goto ok;
}
}
//未使用的话，直接 ok
goto ok;
}
return -EADDRNOTAVAIL;
ok:
...
}
首先判断的是 inet_is_reserved_local_port，这个很简单就是判断要选择的端口是否在 net.ipv4.ip_local_reserved_ports 中，在的话就不能用。
如果你因为某种原因不希望某些端口被内核使用，那么就把它们写到 ip_local_reserved_ports 这个内核参数中就行了。
整个系统中会维护一个所有使用过的端口的哈希表，它就是 hinfo->bhash。接下来的代码就会在这里进行查找。如果在哈希表中没有找到，那么说明这个端口是可用的。至此端口就算是找到了。
遍历完所有端口都没找到合适的，就返回 -EADDRNOTAVAIL，你在用户程序上看到的就是 Cannot assign requested address 这个错误。怎么样，是不是很眼熟，你见过它的对吧，哈哈！
/* Cannot assign requested address */
#define EADDRNOTAVAIL 99
以后当你再遇到 Cannot assign requested address 错误，你应该想到去查一下 net.ipv4.ip_local_port_range 中设置的可用端口的范围是不是太小了。
2.3 端口被使用过怎么办
回顾刚才的 __inet_hash_connect， 为了描述简单我们之前跳过了已经在 bhash 中存在时候的判断。这是由于其一这个过程比较长，其二这段逻辑很有价值，所以飞哥单独拉一小节出来。
//file:net/ipv4/inet_hashtables.c
int __inet_hash_connect(...)
{
for (i = 1; i <= remaining; i++) {
port = low + (i + offset) % remaining;
...
//如果端口已经被使用
if (net_eq(ib_net(tb), net) &&
tb->port == port) {
//通过 check_established 继续检查是否可用
if (!check_established(death_row, sk, port, &tw))
goto ok;
}
}
}
port 已经在 bhash 中如果已经存在，就表示有其它的连接使用过该端口了。请注意，如果 check_established 返回 0，该端口仍然可以接着使用！。
这里可能会让很多同学困惑了，一个端口怎么可以被用多次呢？
回忆下四元组的概念，两对儿四元组中只要任意一个元素不同，都算是两条不同的连接。以下的两条 TCP 连接完全可以同时存在（假设 192.168.1.101 是客户端，192.168.1.100 是服务端）
连接1：192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8090 连接2：192.168.1.101 5000 192.168.1.100 8091
check_established 作用就是检测现有的 TCP 连接中是否四元组和要建立的连接四元素完全一致。如果不完全一致，那么该端口仍然可用！！！
这个 check_established 是由调用方传入的，实际上使用的是 __inet_check_established。我们来看它的源码。
//file: net/ipv4/inet_hashtables.c
static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,
struct sock *sk, __u16 lport,
struct inet_timewait_sock **twp)
{
//找到hash桶
struct inet_ehash_bucket *head = inet_ehash_bucket(hinfo, hash);
//遍历看看有没有四元组一样的，一样的话就报错
sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->chain) {
if (sk2->sk_hash != hash)
continue;
if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie,
saddr, daddr, ports, dif)))
goto not_unique;
}
unique:
//要用了，记录，返回 0 （成功）
return 0;
not_unique:
return -EADDRNOTAVAIL;
}
该函数首先找到 inet_ehash_bucket，这个和 bhash 类似，只不过是所有 ESTABLISH 状态的 socket 组成的哈希表。然后遍历这个哈希表，使用 INET_MATCH 来判断是否可用。
这里 INET_MATCH 源码如下：
// 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 __saddr、__daddr、__ports 都进行了比较。当然除了 ip 和端口，INET_MATCH还比较了其它一些东东，所以 TCP 连接还有五元组、七元组之类的说法。为了统一，咱们还沿用四元组的说法。
如果 MATCH，就是说就四元组完全一致的连接，所以这个端口不可用。也返回 -EADDRNOTAVAIL。
如果不 MATCH，哪怕四元组中有一个元素不一样，例如服务器的端口号不一样，那么就 return 0，表示该端口仍然可用于建立新连接。
所以一台客户端机最大能建立的连接数并不是 65535。只要 server 足够多，单机发出百万条连接没有任何问题。
2.4 发起 syn 请求
再回到 tcp_v4_connect，这时我们的 inet_hash_connect 已经返回了一个可用端口了。接下来就进入到 tcp_connect，如下源码所示。
//file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
......
//动态选择一个端口
err = inet_hash_connect(&tcp_death_row, sk);
//函数用来根据 sk 中的信息，构建一个完成的 syn 报文，并将它发送出去。
err = tcp_connect(sk);
}
到这里其实就和本文要讨论的主题没有关系了，所以我们只是简单看一下。
//file:net/ipv4/tcp_output.c
int tcp_connect(struct sock *sk)
{
//申请并设置 skb
buff = alloc_skb_fclone(MAX_TCP_HEADER + 15, sk->sk_allocation);
tcp_init_nondata_skb(buff, tp->write_seq++, TCPHDR_SYN);
//添加到发送队列 sk_write_queue 上
tcp_connect_queue_skb(sk, buff);
//实际发出 syn
err = tp->fastopen_req ? tcp_send_syn_data(sk, buff) :
tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);
//启动重传定时器
inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
}
tcp_connect 一口气做了这么几件事
申请一个 skb，并将其设置为 SYN 包 添加到发送队列上 调用 tcp_transmit_skb 将该包发出 启动一个重传定时器，超时会重发
三、bind 时端口如何选择
在 2.2 小节中，我们看到 connect 选择端口之前先判断了 inet_sk(sk)->inet_num 有没有值。如果有的话就直接用这个，而会跳过端口选择过程。
那么这个值是从哪儿来的呢？不卖关子，它就是在对 socket 使用 bind 时设置的。
不只是服务器端，哪怕是对于客户端，也可以对 socket 使用 bind 来绑定 IP 或者端口。如果使用了 bind，那么在 bind 的时候就会确定好端口，并设置到 inet_num 变量中。
一般非常不推荐在客户端角色下使用 bind。因为这会打乱 connect 里的端口选择过程。
bind 的时候，如果传了端口，那么 bind 就会尝试使用该端口。如果端口号传的是 0 ，那么 bind 有一套独立的选择端口号的逻辑。
//file: net/ipv4/af_inet.c
int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
struct sock *sk = sock->sk;
...
//用户传入的端口号
snum = ntohs(addr->sin_port);
//不允许绑定 1024 以下的端口
if (snum && snum < PROT_SOCK &&
!ns_capable(net->user_ns, CAP_NET_BIND_SERVICE))
goto out;
//尝试确定端口号
if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {
inet->inet_saddr = inet->inet_rcv_saddr = 0;
err = -EADDRINUSE;
goto out_release_sock;
}
根据第一节中的 socket 内核对象，能找到 sk->sk_prot->get_port 实际调用的是 inet_csk_get_port。该函数来尝试确定端口号，如果尝试失败，返回 EADDRINUSE。你的应用程序将会显示一条错误信息 “Address already in use”。
#define EADDRINUSE 226 /* Address already in use */
我们简单看一下如果用户没有传入端口（传入的为 0），bind 是怎么选择端口的。
//file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
{
...
if (!snum) {
inet_get_local_port_range(&low, &high);
remaining = (high - low) + 1;
smallest_rover = rover = net_random() % remaining + low;
do {
if (inet_is_reserved_local_port(rover))
goto next_nolock;
head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, rover,
hashinfo->bhash_size)];
inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
// 冲突检测
if (!inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb, false)) {
snum = rover;
goto tb_found;
}
} while (--remaining > 0);
}
}
这段逻辑和 connect 很像，通过 net_random 来从 net.ipv4.ip_local_port_range 指定的端口范围内一个随机位置开始遍历。也会跳开 ip_local_reserved_ports 保留端口配置。通过 inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict 进行冲突检测。
inet_csk_bind_conflict 这个函数整体比较复杂，不过我们只需要了解一点就好，该函数和 connect 中端口选择逻辑不同的是，并不会到 ESTABLISH 的哈希表进行可用检测，只在 bind 状态的 socket 里查。所以默认情况下，只要端口用过一次就不会再次使用。
四、结论
客户端建立连接前需要确定一个端口，该端口会在两个位置进行确定。
第一个位置，也是最主要的确定时机是 connect 系统调用执行过程。在 connect 的时候，会随机地从 ip_local_port_range 选择一个位置开始循环判断。找到可用端口后，发出 syn 握手包。如果端口查找失败，会报错 “Cannot assign requested address”。这个时候你应该首先想到去检查一下服务器上的 net.ipv4.ip_local_port_range 参数，是不是可以再放的多一些。
如果你因为某种原因不希望某些端口被使用到，那么就把它们写到 ip_local_reserved_ports 这个内核参数中就行了，内核在选择的时候会跳过这些端口。
另外注意即使是一个端口是可以被用于多条 TCP 连接的。所以一台客户端机最大能建立的连接数并不是 65535。只要 server 足够多，单机发出百万条连接没有任何问题。
我给大伙儿贴一下我实验时候在客户机上实验时的实际截图，来实际看一下一个端口号确实是被用在了多条连接上了。
截图中左边的 192 是客户端，右边的 119 是服务器的 ip。可以看到客户端的 10000 这个端口号是用在了多条连接上了的。
第二个位置，如果在 connect 之前使用了 bind，将会使得 connect 时的端口选择方式无效。转而使用 bind 时确定的端口。bind 时如果传入了端口号，会尝试首先使用该端口号，如果传入了 0 ，也会自动选择一个。但默认情况下一个端口只会被使用一次。所以对于客户端角色的 socket，不建议使用 bind ！
最后我再想多说一句，上面的选择端口的都是从 ip_local_port_range 范围中的某一个随机位置开始循环的。如果可用端口很充足，则能快一点找到可用端口，那循环很快就能退出。假设实际中 ip_local_port_range 中的端口快被用光了，这时候内核就大概率得把循环多执行很多轮才能找到，这会导致 connect 系统调用的 CPU 开销的上涨。
所以，最好不要等到端口不够用了才加大 ip_local_port_range 的范围，而是事先就应该保持一个充足的范围。
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