Linux内核知识 - Linux端口重用特性 - 《Linux》

一、 REUSEPORT 要解决的问题
二、REUSEPORT 的诞生
三、动手实践
四、总结

Linux
如果服务器上已经有个进程在 listen 6000 这个端口号了。那么该服务器上其它进程是否还能 bind 和 listen 该端口呢？
相信一定会有一部分同学会答说是不能的。因为很多人都遇到过“Address already in use”这个错误。而这个错误产生的原因就是端口已经被占用。
但其实在 Linux 3.9 以上的内核版本里，是允许多个进程绑定到同一个端口号上。这就是 REUSEPORT 新特性。
这里将阐述 REUSEPORT 是为了解决什么问题而产生的。如果有多个进程复用同一个端口，当用户请求到达时内核是如何选一个进程进行响应的。

一、 REUSEPORT 要解决的问题

理解一个技术点的很重要的前提是要弄明白这个问题产生的背景，弄明白了背景再理解起技术点来就会容易许多。
关于 REUSEPORT 特性产生的背景其实在 linux 的 commit 中提供的足够详细了（参见：https://github.com/torvalds/linux/commit/da5e36308d9f7151845018369148201a5d28b46d）。
在这个 commit 中的信息的基础上来看。
有过服务器端开发的经验的同学都知道，一般一个服务是固定监听某一个端口的。比如 Nginx 服务一般固定监听 80 或 8080，Mysql 服务固定监听 3306 等等。
在网民数量还不够多，终端设备也还没有爆炸的年代里，一直是在使用的是端口不可重复被监听的模式。但是到了 2010 年之后，Web 互联网已经发展到了一个高潮，移动端的设备也开始迎来了大发展。这个时候端口不能重用的性能瓶颈就暴露出来了。
应对海量流量的主要措施就是应用多进程模型。在端口不可被重复 bind 和 listen 的年代里，提供海量服务的多进程 Server 提供一般是采用如下两种进程模型来工作。
第一种是专门搞一个或多个进程服务 accept 新连接，接收请求，然后将请求转给其它的 worker 进程来处理。
Linux端口重用特性 - 图1
这种多进程模型有两个问题，首先第一个是 dispatcher 进程并不处理任务，需要转交给 worker 进程来处理和响应。这会导致一次额外的进程上下文切换的开销。第二个问题是如果流量特别大的时候 dispatcher 进程很容易成为制约整个服务 qps 提升的瓶颈。
还有另一种多进程模型是多个进程复用一个 listen 状态的 socket，多个进程同时从一个 socket 中 accept 请求来处理。Nginx 就采用的是这种模型。
Linux端口重用特性 - 图2
这种进程模型解决了第一个模型的问题。但是又带来了新的问题。当 socket 收到一条连接的时候，不能把所有的 worker 进程都招呼起来。需要用锁来保证唯一性，这样就会有锁竞争的问题。

二、REUSEPORT 的诞生

为了更高效地让多个用户态的进程接收和响应客户端的请求。Linux 在 2013 年的 3.9 版本中提供了 REUSEPORT 新特性。
Linux端口重用特性 - 图3
内核详细Commit代码参见 https://github.com/torvalds/linux/commit/da5e36308d9f7151845018369148201a5d28b46d 和 https://github.com/torvalds/linux/commit/055dc21a1d1d219608cd4baac7d0683fb2cbbe8a
该特性允许同一机器上的多个进程同时创建不同的 socket 来 bind 和 listen 在相同的端口上。然后在内核层面实现多个用户进程的负载均衡。
来看下内核是如何支持 reuseport 这个特性的。

2.1 SO_REUSEPORT 设置

想给自己的服务开启 REUSEPORT 很简单，就是给自己 server 里 listen 用的 socket 上加这么一句。（这里以 c 为 demo，其它语言可能会有差异，但基本上差不多）

setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, ...);

这行代码在内核中对应的处理步骤就是把内核 socket 的 sk_reuseport 字段设置为相应的值，开启的话是 1。

//file: net/core/sock.c
int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname,
                    char __user *optval, unsigned int optlen)
{
    ...
    switch (optname) {
        ...
        case SO_REUSEPORT:
            sk->sk_reuseport = valbool;
        ...
        }
}

2.2 bind 时的处理

内核在 inet_bind 时会调用到 inet_csk_get_port 函数。来看看 bind 时对 reuseport 的处理过程。来看源码：

//file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
{
    ...
    //在绑定表（bhash）中查找，
    head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, snum,
                                             hashinfo->bhash_size)];
    inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
    //找到了，在一个命名空间下而且端口号一致，表示该端口已经绑定
    if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == snum)
        goto tb_found;
    ...
}

内核通过拉链哈希表的方式来管理所有的 bind 的 socket。其中 inet_bhashfn 是计算哈希值的函数。
Linux端口重用特性 - 图4
当计算找到哈希槽位以后，通过 inet_bind_bucket_for_each 来遍历所有的 bind 状态的 socket，目的是为了判断是否冲突。
net_eq(ib_net(tb), net) 这个条件表示网络命名空间匹配，tb->port == snum 表示端口号匹配。这两个条件加起来，就是说在同一个命名空间下，该端口已经被绑定过了。接着看 tb_found 里会干啥。

//file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
{
    ...
    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;
    } else {
        //绑定冲突
        ......
}

来看 tb->fastreuseport > 0 和 sk->sk_reuseport 这两个条件。
这两个条件的意思是已经 bind 的 socket 和正在 bind 的 socket 都开启了 SO_REUSEPORT 特性。符合条件的话，将会跳转到 success 进行绑定成功的处理。也就是说，这个端口可以重复绑定使用！
uid_eq(tb->fastuid, uid) 这个条件目的是安全性，必须要求相同的用户进程下的 socket 才可以复用端口。避免跨用户启动相同端口来窃取另外用户服务上的流量。

2.3 accept 响应新连接

当有多个进程都 bind 和 listen 了同一个端口的时候。有客户端连接请求到来的时候就涉及到选择哪个 socket（进程）进行处理的问题。再简单看一下，响应连接时的处理过程。
内核仍然是通过 hash + 拉链的方式来保存所有的 listen 状态的 socket。
Linux端口重用特性 - 图5
查找 listen 状态的 socket 的时候需要查找该哈希表。进入响应握手请求的时候进入的一个关键函数 __inet_lookup_listener 来看。

//file: net/ipv4/inet_hashtables.c
struct sock *__inet_lookup_listener(struct net *net,
                                    struct inet_hashinfo *hashinfo,
                                    const __be32 saddr, __be16 sport,
                                    const __be32 daddr, const unsigned short hnum,
                                    const int dif)
{
    //所有 listen socket 都在这个 listening_hash 中
    struct inet_listen_hashbucket *ilb = &hashinfo->listening_hash[hash];
    begin:
    result = NULL;
    hiscore = 0;
    sk_nulls_for_each_rcu(sk, node, &ilb->head) {
        score = compute_score(sk, net, hnum, daddr, dif);
        if (score > hiscore) {
            result = sk;
            hiscore = score;
            reuseport = sk->sk_reuseport;
            if (reuseport) {
                phash = inet_ehashfn(net, daddr, hnum,
                                     saddr, sport);
                matches = 1;
            }
        } else if (score == hiscore && reuseport) {
            matches++;
            if (((u64)phash * matches) >> 32 == 0)
                result = sk;
            phash = next_pseudo_random32(phash);
        }
    }
    ...
        return result;
}

其中 sk_nulls_for_each_rcu 是在遍历所有 hash 值相同的 listen 状态的 socket。注意看 compute_score 这个函数，这里是计算匹配分。当有多个 socket 都命中的时候，匹配分高的优先命中。来看一下这个函数里的一个细节。

//file: net/ipv4/inet_hashtables.c
static inline int compute_score(struct sock *sk, ...)
{
    int score = -1;
    struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
    if (net_eq(sock_net(sk), net) && inet->inet_num == hnum &&
        !ipv6_only_sock(sk)) {
        //如果服务绑定的是 0.0.0.0，那么 rcv_saddr 为假
        __be32 rcv_saddr = inet->inet_rcv_saddr;
        score = sk->sk_family == PF_INET ? 2 : 1;
        if (rcv_saddr) {
            if (rcv_saddr != daddr)
                return -1;
            score += 4;
        }
        ... 
        }
    return score;
}

那么匹配分解决的是什么问题呢？为了描述的更清楚，假设某台服务器有两个 ip 地址，分别是 10.0.0.2 和 10.0.0.3。启动了如下三个服务器进程。

A 进程：./test-server 10.0.0.2 6000
B 进程：./test-server 0.0.0.0 6000
C 进程：./test-server 127.0.0.1 6000

那么客户端如果指定是连接 10.0.0.2:6000，那么 A 进程会优先执行。因为当匹配到 A 进程的 socket 的时候，需要看一下握手包中的目的 ip 和这个地址是否匹配，确实匹配那得分就是 4 分，最高分。
如果指定连接的是 10.0.0.3，那么 A 进程就无法被匹配到。这个时候 B 进程监听时指定的是 0.0.0.0（rcv_saddr 为 false），则不需要进行目的地址的比对，得分为 2。由于没有更高分，所以这次命中的是 B 进程。
C 进程只有在本机访问，且指定 ip 使用 127.0.0.1 才能命中，得分也是为 4 分。外部服务器或者是在本机使用其它 ip 都无法访问的到。
如果当多个 socket 的匹配分一致，通过调用 next_pseudo_random32 进行随机的选择。在内核态做了负载均衡的事情，选定一个具体的 socket，避免了多个进程在同一个 socket 上的锁竞争。

三、动手实践

动手试试能体会更深刻。动手写个简单的开启 SO_REUSEPORT 特性的 server 的代码。核心就是给 server 的 socket
详细源码参见：https://github.com/yanfeizhang/coder-kung-fu/blob/main/tests/network/test08/server.c。

3.1 相同 port 多服务启动

编译后，分别在多个控制台下运行一下试试，看是否能够启动起来。

$./test-server 0.0.0.0 6000
Start server on 0.0.0.0:6000 successed, pid is 23179
$./test-server 0.0.0.0 6000
Start server on 0.0.0.0:6000 successed, pid is 23177
$./test-server 0.0.0.0 6000
Start server on 0.0.0.0:6000 successed, pid is 23185
......

没错，全部起来了！这个 6000 的端口被多个 server 进程重复使用了。

3.2 内核负载均衡验证

由于上述几个监听了相同端口的进程都使用的是 0.0.0.0，那么在计算 score 的时候，他们的得分就都是 2 分。那么就由内核以随机的方式进行负载均衡了。
再启动一个客户端，随意发起几个连接请求，统计一下各个server进程收到的连接数。如下图可见，该服务器上收到的连接的确是平均散列在各个进程里了。

Server 0.0.0.0 6000 (23179) accept success:15
Server 0.0.0.0 6000 (23177) accept success:25
Server 0.0.0.0 6000 (23185) accept success:20
Server 0.0.0.0 6000 (23181) accept success:19
Server 0.0.0.0 6000 (23183) accept success:21

3.3 匹配优先级验证

动用一台两个 ip 地址的服务器，还假设 ip 分别是 10.0.0.2 和 10.0.0.3。启动了如下三个服务器进程。

A 进程：./test-server 10.0.0.2 6000
B 进程：./test-server 0.0.0.0 6000

另外一台客户端通过使用 telnet 命令即可测试。

$ telnet 10.0.0.2 6000 发现是命中 A 进程。
$ telnet 10.0.0.3 6000 发现是命中 B 进程。

3.4 跨用户安全性验证

先以 A 用户启动一个服务

$./test-server 0.0.0.0 6000
Start server on 0.0.0.0:6000 successed, pid is 30914

再切换到另外一个用户下，比如 root。

# ./test-server 0.0.0.0 6000
Server 30481 Error : Bind Failed!

这时候发现 bind 不会通过，服务启动失败！

四、总结

在 Linux 3.9 以前的版本中，一个端口只能被一个 socket 绑定。在多进程的场景下，无论是使用一个进程来在这个 socket 上 accept，还是说用多个 worker 来 accept 同一个 socket，在高并发的场景下性能都显得有那么一些低下。
在 2013 年发布的 3.9 中添加了 reuseport 的特性。该特定允许多个进程分别用不同的 socket 绑定到同一个端口。当有流量到达的时候，在内核态以随机的方式进行负载均衡。避免了锁的开销。Linux 的这一特性是非常有用的！
如果业务用的是Linux上的多进程server，赶快去检查下有没有开启reuseport。
如果使用的是 1.9.1 以上版本的 nginx，只需要一行简单的配置就可以体验这个特性。

server {
  listen 80 reuseport;
  ...
}