探析如何使用SystemTap观测TCP Backlog

目录
  • 什么是TCP Backlog
  • 实验环境搭建
  • 观测Linux最终采用的backlog大小
  • 观测半连接队列大小
  • 观测全连接队列大小
  • 总结

什么是TCP Backlog

本文所使用的Linux内核版本信息

5.15.0-56-generic #62-Ubuntu SMP Tue Nov 22 19:54:14 UTC 2022 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

backlog的中文含义是 积压 的意思，在Linux网络中，意味着网络数据包的积压，在Linux表现为半连接队列和全连接队列存储这些积压的数据包。backlog参数的大小，则会影响半连接队列和全连接队列缓存数据包的多少。

其中，半连接队列和全连接队列的含义如图所示（此处引用张师傅博客中的图）

  • 半连接队列（Incomplete connection queue），又称 SYN 队列
  • 全连接队列（Completed connection queue），又称 Accept 队列

从服务端角度看待TCP三次握手的过程，有以下几步：

  • 调用 listen 函数时，TCP 的状态被从 CLOSE 状态变为 LISTEN，此时内核就创建了半连接队列和全连接队列。backlog参数就是在listen的时候指定的。
int listen(int sockfd, int backlog);
  • 在TCP进行三次握手的时候，收到SYN报文会先将数据包放到半连接队列，然后发出SYN+ACK
  • 接着当收到对端的SYN+ACK的时候，再将这个连接请求的数据包移动到全连接队列，等待应用程序通过accept() 函数读取。

我们可以通过listen函数传入backlog参数值，且backlog参数值会影响到半连接队列和全连接队列的大小，但是我们该怎么观测到最终操作系统使用的backlog的大小呢？又怎么观测到半连接队列、全连接队列中的缓存的包数量呢？backlog参数和半连接队列、全连接队列的大小之间又有什么关系呢？

实验环境搭建

先在本地电脑上启动了两个虚拟机，Linux虚拟机1（命名为L1，ip: 10.211.55.6）和Linux虚拟机2（命名为L2，ip: 10.211.55.8），以 L1 作为服务器，L2作为客户端。

观测Linux最终采用的backlog大小

为确定backlog值通过listen函数设置进去之后，操作系统最终采用的数值，可以通过systemtap工具来确定。安装好systemtap工具之后，编写探测脚本如下：

probe kernel.function("tcp_v4_conn_request") {  
    tcphdr = __get_skb_tcphdr($skb);  
    dport = __tcp_skb_dport(tcphdr);  
    if (dport == 9090)  
    {  
        printf("reach here\n");  
        printf("socket struct: %s \n", $sk$);  
        syn_qlen = @cast($sk, "struct inet_connection_sock")->icsk_accept_queue->qlen;  
        max_backlog=$sk->sk_max_ack_backlog;  
        printf("qlen: %d, max_backlog: %d  \n", syn_len, max_backlog);  
    }  
}

这个脚本做的事情，就是对linux中 tcp_v4_conn_request 这个内核函数做了探针，只要调用到这个内核函数，且端口号为9090，就会执行一系列的打印操作。其中，会将socket对象打印出来，也会将socket对象中的 sk_max_ack_backlog 变量打印出来，这个变量正是linux最终采用的backlog值。

将这个脚本放到机器L1中的任一用户目录下，脚本命名为 tcp_backlog.stp，然后用命令执行：

sudo stap -v tcp_backlog.stp

如果运行成功，则会看到在终端上显示正在运行的提示：

此时，为避免编程语言的干扰，用C语言准备一段服务器的启动代码，backlog值可以通过修改常量来更改，这里使用backlog值为20

// main.c
#include <sys/socket.h>  
#include <stdio.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <unistd.h>  
#include <string.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <sys/shm.h>  
#define MYPORT  9090  
#define BACKLOG 20  
#define BUFFER_SIZE 1024  
int main()  
{  
    ///定义sockfd  
    int server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);  
    ///定义sockaddr_in  
    struct sockaddr_in server_sockaddr;  
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;  
    server_sockaddr.sin_port = htons(MYPORT);  
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
    ///bind，成功返回0，出错返回-1  
    if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(server_sockaddr))==-1)  
    {  
        perror("bind");  
        exit(1);  
    }  
    ///listen，成功返回0，出错返回-1  
    if(listen(server_sockfd, BACKLOG) == -1)  
    {  
        perror("listen");  
        exit(1);  
    }  
    ///客户端套接字  
    char buffer[BUFFER_SIZE];  
    char message[100] = "已成功接收！";  
    struct sockaddr_in client_addr;  
    socklen_t length = sizeof(client_addr);  
    ///成功返回非负描述字，出错返回-1  
    int conn = accept(server_sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &length);  
    if(conn<0)  
    {  
        perror("connect");  
        exit(1);  
    }  
    while(1)  
    {  
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));  
        int size = read(conn, buffer, 1024);  
        if(strcmp(buffer,"exit\n")==0)  
            break;  
        strncat(buffer, message, 100);  
        fputs(buffer, stdout);  
        write(conn,buffer,strlen(buffer)+1);  
    }  
    close(conn);  
    close(server_sockfd);  
    return 0;  
}

在L1上通过命令编译sk.c 并启动：

gcc main.c -o sk.o && ./sk.o

启动后，在L2上通过nc命令连接L1的9090端口：

nc 10.211.55.6 9090

接着观察 tcp_backlog.stp 探针脚本的输出：

可见此时使用的backlog值为20，通过这个方法，我们可以观测到linux最终采用的 backlog值的大小是多少了。

<>系统变量对backlog大小的影响

backlog虽然可以通过listen设置进去，但是按照张师傅的博客所说，最终的大小会受到操作系统的配置影响。可通过sysctl命令查看这两个系统变量：

sysctl net.ipv4.tcp_max_syn_backlog
# net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 128
sysctl net.core.somaxconn
# net.core.somaxconn = 4096

按照上述观测的方法，函数传入的backlog值分别在 小于128，大于128但小于4096，大于4096这三个区间取一个值。设置backlog大小为 20、200、6000，分别观测操作系统最终采用的backlog值如下：

listen backlog值为200时，操作系统采用的backlog值为200

listen backlog值为6000时，操作系统采用的backlog值为4096，和系统变量 net.core.somaxconn 保持一样。

将上述测试数据总结如下：

listen backlog值 操作系统实际采用的backlog值
20 20
200 200
6000 4096

在张师傅的博客中提到， Linux内核版本在3.10.0的时候，会受到 net.ipv4.tcp_max_syn_backlog 和 net.core.somaxconn 的影响，且受这两个变量影响的逻辑还比较复杂。但是在 5.15.0版本中，已经做了简化，代码如下：

// net/socket.c
int __sys_listen(int fd, int backlog)
{
  struct socket *sock;
  int err, fput_needed;
  int somaxconn;
  sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
  if (sock) {
    # sysctl_somaxconn对应系统变量net.core.somaxconn的值
    somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
    if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
      backlog = somaxconn;
    err = security_socket_listen(sock, backlog);
    if (!err)
      err = sock->ops->listen(sock, backlog);
    fput_light(sock->file, fput_needed);
  }
  return err;
}

再简化一下核心逻辑，核心逻辑的伪代码如下:

backlog = listen_backlog;
somaxconn = valuOf(`net.core.somaxconn`);
if(backlog > somaxconn) {
	backlog = somaxconn;
}

按张师傅的博客所说，在内核版本为3.10.0中， backlog 值会在这个时候依次传递给 __sys_listen() -> inet_listen()->inet_csk_listen_start()->reqsk_queue_alloc()，最终在 reqsk_queue_alloc函数中根据这两个系统变量经历一系列复杂的计算，最终得到操作系统使用的backlog值。但是这些操作，在5.x版本的内核都去掉了，reqsk_queue_alloc函数中不再对backlog做过任何处理：

// net/ipv4/inet_connection_sock.c
// 在这个函数中，虽然传入了backlog，但是在后续的处理中完全没有用上，由此证明backlog的赋值，在 __sys_listen 函数中已经完成
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;
  reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue);
  sk->sk_ack_backlog = 0;
  inet_csk_delack_init(sk);
  /* There is race window here: we announce ourselves listening,
   * but this transition is still not validated by get_port().
   * It is OK, because this socket enters to hash table only
   * after validation is complete.
   */
  inet_sk_state_store(sk, TCP_LISTEN);
  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;
  }
  inet_sk_set_state(sk, TCP_CLOSE);
  return err;
}

// net/core/request_sock.c
void reqsk_queue_alloc(struct request_sock_queue *queue)
{
  spin_lock_init(&queue->rskq_lock);
  spin_lock_init(&queue->fastopenq.lock);
  queue->fastopenq.rskq_rst_head = NULL;
  queue->fastopenq.rskq_rst_tail = NULL;
  queue->fastopenq.qlen = 0;
  queue->rskq_accept_head = NULL;
}

观测半连接队列大小

在三次握手的过程中，服务端收到握手请求包之后，会先把它放到半连接队列中，然后回复SYN+ACK。接着接收到客户端返回的ACK报文时，再把这个数据包从半连接队列移动到全连接队列中。在正常情况下，SYN报文在半连接队列逗留的时间会很快，观测半连接队列大小要做点处理。

按照张师傅博客提供的方法，可以在客户端设置防火墙，把服务端返回的ACK包都扔掉，这样在服务端就不会收到ACK报文了。

// 在L2机器上设置这条防火墙规则
sudo iptables --append INPUT --match tcp --protocol tcp --src 10.211.55.6 --sport 9090 --tcp-flags SYN SYN --jump DROP
// 查看防火墙规则是否设置成功
sudo iptables -L

接着用上述的服务端代码启动服务后，在L2上通过nc命令连接上：

nc 10.211.55.6 9090

接着可以通过以下命令观察到，当前有多少个连接处于SYN_RECV状态：

sudo netstat -lnpa | grep :9090  | awk '{print $6}' | sort | uniq -c | sort -rn

处于SYN_RECV状态的连接，意味着接收到了客户端的SYN报文但未接收到ACK报文。此时连接就处于SYN_RECV状态。通过这个点可以观测到半连接队列此时的大小是多少。你也可以在L2上通过程序发起多次连接，看看SYN_RECV状态的连接数是否有变化，此处就不再叙述了。

观测全连接队列大小

当请求收到ACK之后，就会从半连接队列挪到全连接队列，此时连接已经完全建立，连接状态就会从LISTEN变成ESTABLISHED状态，等待应用程序调用accept函数从全连接队列中取走数据。所以，要观察全连接队列的大小，只要观察ESTABLISHED状态的连接数即可。同样可以采用netstat命令：

netstat -lnpa | grep :9090 | awk '{print $6}' | sort | uniq -c | sort -rn

也可以使用ss命令来进行观测。使用命令如下：

ss -lnt | grep :9090
  • 处于 LISTEN 状态的 socket，Recv-Q 表示 accept 队列排队的连接个数，Send-Q 表示全连接队列（也就是 accept 队列）的总大小
  • 对于非 LISTEN 状态的 socket，Recv-Q 表示 receive queue 的字节大小，Send-Q 表示 send queue 的字节大小

总结

SystemTap是一个很有力的工具，用好这个工具，可以实实在在地观测到Linux内部的状态，让自己对操作系统有个更深刻的认识。

以上就是使用SystemTap观测TCP Backlog过程解析的详细内容，更多关于SystemTap观测TCP Backlog的资料请关注风君子博客其它相关文章！

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风君子

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