Linux 內(nèi)核中reuseport 的演進示例分析

SO_REUSEPORT選項在Linux 3.9被引入內(nèi)核，在這之前也有一個很像的選項SO_REUSEADDR。

如果你不太清楚這兩者的區(qū)別和聯(lián)系，建議搜索 How do SO_REUSEADDR and SO_REUSEPORT differ?。

如果不想讀，那么下面這一節(jié)算是為懶人準備的。

SO_REUSEADDR 與 SO_REUSEPORT 是什么?

TCP/UDP用五元組唯一標識一個連接。

任何時候，兩條連接的五元組都不能完全相同，否則當收到一個報文時，協(xié)議棧沒辦法判斷它是屬于哪個連接的。

五元組{, , , , }

五元組里，protocol在創(chuàng)建socket時確定，和在bind()時確定，和在connect()時確定。

當然，bind()和connect()在一些時候并不需要顯式使用，不過這不在本文的討論范圍里。

那么，如果對socket設置了SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT選項，它們什么時候起作用呢？

答案是bind()，也就在確定和時。

不同操作系統(tǒng)內(nèi)核對待SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT的行為有少許差異，但它們都源自BSD。

因此，接下來就以BSD的實現(xiàn)為標準進行說明。

SO_REUSEADDR

假設我現(xiàn)在需要bind()將socketA綁定到A:X，將socketB綁定到B:Y(不考慮X=0或者Y=0，因為0表示讓內(nèi)核自動分配端口，一定不會沖突)。

如果X!=Y，那么無論A和B的關系如何，兩個bind()都會成功。但如果X==Y，那么結果會是下面這樣:

SO_REUSEADDR       socketA        socketB       Result---------------------------------------------------------------------  ON/OFF       192.168.0.1:21   192.168.0.1:21    Error (EADDRINUSE)  ON/OFF       192.168.0.1:21      10.0.0.1:21    OK  ON/OFF          10.0.0.1:21   192.168.0.1:21    OK   OFF             0.0.0.0:21   192.168.1.0:21    Error (EADDRINUSE)   OFF         192.168.1.0:21       0.0.0.0:21    Error (EADDRINUSE)   ON              0.0.0.0:21   192.168.1.0:21    OK   ON          192.168.1.0:21       0.0.0.0:21    OK  ON/OFF           0.0.0.0:21       0.0.0.0:21    Error (EADDRINUSE)

第一列表示是否設置SO_REUSEADDR``注，最后一列表示后綁定的socket是否能綁定成功。

注：這里設置的對象是指后綁定的socket(也就是說不關心前一個是否設置)

可以看出，BSD的實現(xiàn)中SO_REUSEADDR可以讓一個使用通配地址(0.0.0.0)，一個使用指定地址(192.168.1.0)的socket同時綁定成功。

SO_REUSEADDR還有一種應用情景：在TCP中存在一個TIME_WAIT狀態(tài)，它是指主動關閉的一端最后停留的階段。

假設socketA綁定到A:X，在完成TCP通信后主動使用close()，進入TIME_WAIT，此時，如果socketB也去綁定A:X，那么同樣會得到 EADDRINUSE錯誤，但如果socketB設置了SO_REUSEADDR，那么就可以綁定成功。

SO_REUSEPORT

如果理解了SO_REUSEADDR，那么SO_REUSEPORT就很好理解了，它讓兩個socket可以綁定完全相同的“。

SO_REUSEPORT       socketA        socketB       Result---------------------------------------------------------------------    ON         192.168.0.1:21   192.168.0.1:21    OK

提醒一下，以上的結果都是BSD的結果，Linux內(nèi)核有一些不一樣的地方，具體表現(xiàn)為

• 3.9版本支持SO_REUSEPORT，作為Server的TCP Socket一旦綁定到了具體的端口，啟動了LISTEN，即使它之前設置過SO_REUSEADDR, 也不會生效。這一點Linux比BSD更加嚴格

SO_REUSEADDR       socketA        socketB       Result---------------------------------------------------------------------    ON/OFF      192.168.0.1:21   0.0.0.0:21    Error (EADDRINUSE)

• 3.9版本之前,作為Client的Socket，SO_REUSEADDR選項具有BSD中的SO_REUSEPORT的效果。這一點Linux又比BSD更加寬松。

SO_REUSEADDR      socketA            socketB           Result---------------------------------------------------------------------    ON        192.168.0.2:55555   192.168.0.2:55555      OK

Linux中reuseport的演進

Linux

下面看看具體是怎么做的:  內(nèi)核socket使用skc_reuse字段表示是否設置了SO_REUSEADDR

 struct sock_common {     /* omitted */    unsigned char        skc_reuse;    /* omitted */}int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname,...{    ......    case SO_REUSEADDR:     sk->sk_reuse = (valbool ? SK_CAN_REUSE : SK_NO_REUSE);     break;}

inet_bind_bucket表示一個綁定的端口。

struct inet_bind_bucket {    /* omitted */    unsigned short        port;    signed short        fastreuse;    int            num_owners;    struct hlist_node    node;    struct hlist_head    owners;};

上面結構中的fastreuse表示該端口是否支持共享，所有共享該端口的socket掛到owner成員上。在用戶使用bind()時，內(nèi)核使用TCP:inet_csk_get_port(),UDP:udp_v4_get_port()來綁定端口。

/* inet_connection_Sock.c: inet_csk_get_port() */tb_found:    if (!hlist_empty(&tb->owners)) {        ......        if (tb->fastreuse > 0 &&            sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN &&            smallest_size == -1) {            goto success;

所以，當該端口支持共享，且socket也設置了SO_REUSEADDR并且不為LISTEN狀態(tài)時，此次bind()可以成功。

3.9 =

3.9版本內(nèi)核增加了對SO_REUSEPORT的支持，listener可以綁定到相同的“了。

這個時候，當Server收到Client發(fā)送的SYN報文時，會選擇其中一個socket進行響應。

具體到實現(xiàn)，3.9版本擴展了sock_common，將原來記錄skc_reuse進行了拆分.

struct sock_common {     unsigned short        skc_family;     volatile unsigned char    skc_state;-    unsigned char        skc_reuse;+    unsigned char        skc_reuse:4;+    unsigned char        skc_reuseport:4;@@ int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname,     case SO_REUSEADDR:         sk->sk_reuse = (valbool ? SK_CAN_REUSE : SK_NO_REUSE);         break;+    case SO_REUSEPORT:+        sk->sk_reuseport = valbool;+        break;

然后對inet_bind_bucket也相應進行了擴展

struct inet_bind_bucket {     /* omitted */     unsigned short        port;-    signed short        fastreuse;+    signed char        fastreuse;+    signed char        fastreuseport;+    kuid_t            fastuid;

而在綁定端口時，增加了一個隊reuseport的通過條件

/* inet_connection_sock.c: inet_csk_get_port() */tb_found:         if (sk->sk_reuse == SK_FORCE_REUSE)             goto success;-        if (tb->fastreuse > 0 &&-            sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN &&+        if (((tb->fastreuse > 0 &&+              sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN) ||+             (tb->fastreuseport > 0 &&+              sk->sk_reuseport && uid_eq(tb->fastuid, uid)))              && smallest_size == -1) {               goto success;

而當Client的SYN報文到達時，Server會首先根據(jù)本地端口(SYN報文的“)計算出一條hash沖突鏈，然后遍歷該鏈表上的所有Socket，根據(jù)四元組匹配程度進行打分；

如果使能了reuseport，那么可能有多個Socket都將拿到最高分，此時內(nèi)核將隨機選擇一個進行后續(xù)處理。

/* inet_hashtables.c  */struct sock *__inet_lookup_listener(struct......){    struct sock *sk, *result;    unsigned int hash = inet_lhashfn(net, hnum);    struct inet_listen_hashbucket *ilb = &hashinfo->listening_hash[hash]; // 根據(jù)本地端口找到hash沖突鏈    /* code omitted */    result = NULL;    hiscore = 0;    sk_nulls_for_each_rcu(sk, node, &ilb->head) {        score = compute_score(sk, net, hnum, daddr, dif); // 根據(jù)匹配程度進行打分        if (score > hiscore) {            result = sk;            hiscore = score;            reuseport = sk->sk_reuseport;            if (reuseport) {                phash = inet_ehashfn(net, daddr, hnum,                             saddr, sport);                matches = 1;                             // 如果是reuseport 則累計多少個socket滿足            }        } else if (score == hiscore && reuseport) {            matches++;            if (reciprocal_scale(phash, matches) == 0)                result = sk;            phash = next_pseudo_random32(phash);        }    }    /*     * if the nulls value we got at the end of this lookup is     * not the expected one, we must restart lookup.     * We probably met an item that was moved to another chain.     */    return result;}

舉個栗子，假設內(nèi)核有4條listening socket的hash沖突鏈，然后用戶建立了4個Server：A、B、C、D，監(jiān)聽的地址和端口如下圖所示，A和B使能了SO_REUSEPORT。

沖突鏈是以端口為Key的，因此A、B、D會掛到同一條沖突鏈上。

如果此時收到對端一個SYN報文，那么內(nèi)核會遍歷listening_hash[0]，為上面的7個socket進行打分，而由于B監(jiān)聽的是精確的地址，所以B的得分會比A高，內(nèi)核最終選擇出一個SocketB進行后續(xù)處理。

4.5

從上面的例子可以看出，當收到SYN報文時，內(nèi)核一定會遍歷一條完整hash沖突鏈，為每一個socket進行打分，這稍微有些多余。

因此，在4.5版本中，內(nèi)核引入了reuseport groups，它將綁定到同一個IP和Port，并且設置了SO_REUSEPORT選項的socket組織到一個group內(nèi)部。

--- a/include/net/sock.h+++ b/include/net/sock.h@@ -318,6 +318,7 @@ struct cg_proto;   *    @sk_error_report: callback to indicate errors (e.g. %MSG_ERRQUEUE)   *    @sk_backlog_rcv: callback to process the backlog   *    @sk_destruct: called at sock freeing time, i.e. when all refcnt == 0+  *    @sk_reuseport_cb: reuseport group container  */ struct sock {     /*@@ -453,6 +454,7 @@ struct sock {     int            (*sk_backlog_rcv)(struct sock *sk,                           struct sk_buff *skb);     void                    (*sk_destruct)(struct sock *sk);+    struct sock_reuseport __rcu    *sk_reuseport_cb; };

這個特性在4.5版本只支持UDP,而在4.6版本開始支持TCP(patch)。

這樣在查找listen socket時，內(nèi)核將不用再遍歷整個沖突鏈，而是在找到一個合格的socket時，如果它設置了SO_REUSEPORT，就直接找到它所屬的reuseport group,從中選擇一個進行后續(xù)處理。

@@ -215,6 +217,7 @@ struct sock *__inet_lookup_listener(struct net *net,     unsigned int hash = inet_lhashfn(net, hnum);     struct inet_listen_hashbucket *ilb = &hashinfo->listening_hash[hash];     int score, hiscore, matches = 0, reuseport = 0;+    bool select_ok = true;     u32 phash = 0;      rcu_read_lock();@@ -230,6 +233,15 @@ begin:             if (reuseport) {                 phash = inet_ehashfn(net, daddr, hnum,                              saddr, sport);+                if (select_ok) {+                    struct sock *sk2;+                    sk2 = reuseport_select_sock(sk, phash,+                                    skb, doff);+                    if (sk2) {+                        result = sk2;+                        goto found;+                    }+                }                 matches = 1;             }         }