【C语言】linux内核tcp_write_xmit和tcp_write_queue

tcp_write_xmit

一、讲解

这个函数 tcp_write_xmit 是Linux内核TCP协议栈中的一部分，其基本作用是发送数据包到网络。这个函数会根据不同情况推进发送队列的头部，确保只要远程窗口有空间，就可以发送数据。
下面是对该函数的一些主要逻辑的中文解释：
1. 初始化：函数开头有一些初始化操作，比如用 tcp_mstamp_refresh(tp) 刷新时间戳，`tcp_mtu_probe(sk)` 尝试路径MTU发现过程（如果适用），以及 max_segs 的计算。
2. 循环发送：接下来，函数进入一个while循环，尝试发送所有已经排队的SKB（socket buffer）。循环的每一次迭代都会尝试发送一个SKB，直到没有更多可以发送的，或者遇到问题而中断。
3. 发送条件检查：在每次尝试发送前，会进行一系列条件检查：
- tcp_pacing_check(sk) 检查是否应该基于网络拥塞避免算法暂时停止发送。
- tcp_cwnd_test(tp, skb) 和 tcp_snd_wnd_test(tp, skb, mss_now) 分别检查拥塞窗口(cwnd)和发送窗口(snd_wnd)，以确保我们没有发送超出对方TCP流控制和拥塞控制的数据。
4. 确定发送大小：对于要发送的SKB，它会计算出可以一次发送多少数据（TSO分段，即TCP段上合并发送），以及是否应该延迟发送，从而进行网络流量整形。
5. 发送和处理：如果所有条件均符合，就会通过 tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp) 将SKB发送到网络。发送后，会进行一些更新，比如更新拥塞窗口相关数据。
6. 结束条件：如果在发送过程中遇到资源限制（如拥塞窗口满了，或者接收窗口满了），就会跳出发送循环。
7. 后处理：函数的最后部分会基于发送情况更新一些计时器，比如记录流控制限制的时间，决定是否触发进一步的丢包探测等。
整个函数的设计关注于什么时候发送数据，以及如何基于当前网络条件（例如拥塞控制、窗口大小等）做出正确的发送决策。这是一个TCP协议中用于管理数据发送的核心路径，确保数据以有效和合理的方式在网络中传输。

二、中文注释

/* 这个函数用于将数据包写入网络，并推进发送队列头部。这个操作发生在* 接收到的确认(ACK)扩展了远程窗口时。** LARGESEND注释：!tcp_urg_mode是过度的限制，实际上，只有从snd_up-64k-mss到snd_up* 这段范围内的帧不能是大型帧。考虑到紧急(URG)数据的使用比较少，这不是一个严重的问题。** 当push_one > 0时，最多发送一个数据包。当push_one == 2时，暂时忽略拥塞窗口(cwnd)的限制，* 强制至多发送一个数据包。** 如果没有在传输中的分段（即所有分段都已确认），且我们有排队的分段，* 但现在由于轻微的发送窗口(SWS)问题或其他问题而无法发送任何分段，* 则返回true。*/
static bool tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle,int push_one, gfp_t gfp)
{struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); // 获取TCP套接字结构体struct sk_buff *skb; // 定义一个套接字缓冲区指针unsigned int tso_segs, sent_pkts; // 定义传输段的数量和已发送的数据包数int cwnd_quota; // 定义拥塞窗口配额int result; // 定义结果变量bool is_cwnd_limited = false, is_rwnd_limited = false; // 定义拥塞窗口和接收窗口限制标记u32 max_segs; // 定义最大段数sent_pkts = 0; // 初始化已发送的数据包数量tcp_mstamp_refresh(tp); // 刷新时间戳if (!push_one) {/* 执行MTU探测 */result = tcp_mtu_probe(sk);if (!result) {return false;} else if (result > 0) {sent_pkts = 1;}}max_segs = tcp_tso_segs(sk, mss_now); // 计算最大可发送的段数while ((skb = tcp_send_head(sk))) { // 遍历发送队列unsigned int limit; // 定义发送限制if (tcp_pacing_check(sk)) // 执行流量整形检查break;tso_segs = tcp_init_tso_segs(skb, mss_now); // 初始化TSO段BUG_ON(!tso_segs); // 如果tso_segs为0，触发BUGif (unlikely(tp->repair) && tp->repair_queue == TCP_SEND_QUEUE) {/* 将"skb_mstamp"用作重传计时器的起始点 */tcp_update_skb_after_send(tp, skb);goto repair; // 跳过网络传输}cwnd_quota = tcp_cwnd_test(tp, skb); // 检查拥塞窗口if (!cwnd_quota) {if (push_one == 2)/* 发送一个丢失探针包 */cwnd_quota = 1;elsebreak;}if (unlikely(!tcp_snd_wnd_test(tp, skb, mss_now))) {is_rwnd_limited = true; // 判断接收窗口是否限制了发送break;}if (tso_segs == 1) {if (unlikely(!tcp_nagle_test(tp, skb, mss_now,(tcp_skb_is_last(sk, skb) ?nonagle : TCP_NAGLE_PUSH))))break;} else {if (!push_one &&tcp_tso_should_defer(sk, skb, &is_cwnd_limited,&is_rwnd_limited, max_segs))break;}limit = mss_now;if (tso_segs > 1 && !tcp_urg_mode(tp))limit = tcp_mss_split_point(sk, skb, mss_now,min_t(unsigned int,cwnd_quota,max_segs),nonagle);if (skb->len > limit &&unlikely(tso_fragment(sk, TCP_FRAG_IN_WRITE_QUEUE,skb, limit, mss_now, gfp)))break;if (tcp_small_queue_check(sk, skb, 0)) // 小队列检查，防止发送队列过长break;if (unlikely(tcp_transmit_skb(sk, skb, 1, gfp))) // 尝试传输skbbreak;
repair:
/* 推进发送队列头部，这个skb已经被发送出去。* 这个调用将增加packets_out的计数。*/tcp_event_new_data_sent(sk, skb);tcp_minshall_update(tp, mss_now, skb); // 更新发送窗口大小sent_pkts += tcp_skb_pcount(skb); // 累加已发送的数据包计数if (push_one) // 如果设置了push_one标志，只发送一个包，然后停止处理break;}if (is_rwnd_limited) // 如果接收窗口限制了速度，则启动相应的计时器tcp_chrono_start(sk, TCP_CHRONO_RWND_LIMITED);else // 否则，停止该计时器tcp_chrono_stop(sk, TCP_CHRONO_RWND_LIMITED);if (likely(sent_pkts)) { // 如果发送出去了数据包if (tcp_in_cwnd_reduction(sk)) // 如果TCP处于拥塞窗口减少状态tp->prr_out += sent_pkts; // 更新Proportional Rate Reduction的计数/* 每次尾部丢包事件只发送一个丢包探测。 */if (push_one != 2)tcp_schedule_loss_probe(sk, false); // 计划发送丢包探测is_cwnd_limited |= (tcp_packets_in_flight(tp) >= tp->snd_cwnd); // 检查是否受到拥塞窗口的限制tcp_cwnd_validate(sk, is_cwnd_limited); // 验证拥塞窗口限制是否处于激活状态return false;}return !tp->packets_out && !tcp_write_queue_empty(sk); // 如果没有在传输中的数据包，并且写队列不为空，返回true
}

这段代码是Linux内核中用于TCP协议的数据包发送机制的一部分，主要负责在可能的情况下将数据包或数据段发送到网络。在这个过程中，它或许会遇到多种情况，如拥塞窗口（cwnd）限制、接收窗口（rwnd）限制、网络层的流量控制、MTU探测等，并且会相应地更新状态信息（例如发送计时器）和内部计数器。如果确定无法发送数据（例如由于发送窗口关闭等原因），函数可能会返回true，表示有待发送的数据但目前无法发送。在每次有效发送后，它还会安排适当的丢失探测和拥塞窗口更新。

tcp_write_queue_purge

一、讲解

这个函数 tcp_write_queue_purge 是针对 TCP 协议在 Linux 内核网络栈中的一个函数，用于清除指定 socket (sk) 写队列中的所有 sk_buff 结构（即待发送数据包）。
具体功能如下：
1. tcp_chrono_stop(sk, TCP_CHRONO_BUSY);
停止针对 socket sk 的 TCP_CHRONO_BUSY 计时器。该计时器用于衡量 socket 处于忙碌状态的时间。
2. while ((skb = __skb_dequeue(&sk->sk_write_queue)) != NULL) {
这是一个 while 循环，从 socket sk 的写队列（sk_write_queue）中逐个取出 sk_buff（数据包）。
3. tcp_skb_tsorted_anchor_cleanup(skb);
清理与给定 sk_buff 相关的时间排序元数据。
4. sk_wmem_free_skb(sk, skb);
释放刚从队列中取出的 sk_buff 的内存，并调整 socket sk 的写内存计数器。
5. tcp_rtx_queue_purge(sk);
清空重传队列，释放所有在 TCP 重传队列中的 sk_buff 结构。
6. INIT_LIST_HEAD(&tcp_sk(sk)->tsorted_sent_queue);
初始化 socket sk 的 ts_sorted_sent_queue 链表头。该链表管理时间排序的已发送数据包队列。
7. sk_mem_reclaim(sk);
尝试回收 socket sk 的内存，根据当前内存使用情况，可能会释放或重新调整部分内存资源。
8. tcp_clear_all_retrans_hints(tcp_sk(sk));
清除全部 retrans hint 标记，这些标记用于优化数据包的重传处理。
9. tcp_sk(sk)->packets_out = 0;
将 socket sk 的 packets_out 计数器重置为 0，这个计数器记录了在飞数据包的数目（在路上但尚未确认的数据包）。
10. inet_csk(sk)->icsk_backoff = 0;
重置 socket sk 的指数退避计数器 icsk_backoff 到 0。在遇到网络拥堵导致超时重传时，该计数器值会增加。
总体来说，这个函数的作用是清理给定 socket sk 的所有已排队但尚未发送的数据包，确保在某些情况下（例如关闭连接前）发送队列被适当清空，从而释放相关资源。

二、中文注释

void tcp_write_queue_purge(struct sock *sk)
{struct sk_buff *skb;// 停止TCP的计时器（例如，忙时计时器）tcp_chrono_stop(sk, TCP_CHRONO_BUSY);// 循环，一直到写队列为空while ((skb = __skb_dequeue(&sk->sk_write_queue)) != NULL) {// 清理已排序发送队列的anchor（锚）信息tcp_skb_tsorted_anchor_cleanup(skb);// 释放skb占用的写缓冲区内存sk_wmem_free_skb(sk, skb);}// 清除重传队列tcp_rtx_queue_purge(sk);// 初始化TCP控制块的已排序发送队列头部INIT_LIST_HEAD(&tcp_sk(sk)->tsorted_sent_queue);// 试图回收sk_buff结构所占用的内存sk_mem_reclaim(sk);// 清除所有用于快速重传的标志tcp_clear_all_retrans_hints(tcp_sk(sk));// 将"出站数据包数量"计数器设置为0tcp_sk(sk)->packets_out = 0;// 将网络传输层的退避级别设为0inet_csk(sk)->icsk_backoff = 0;
}

以上是该函数的中文注释。函数的功能是清理TCP套接字的写队列，释放其中的skb（socket缓冲区），清理重传队列，重置相关的计数器和状态，以便套接字可以被安全地关闭或重置。