目录

1 基本概念

2 TCP延迟分段判定

2.1 客户端初始化

2.2 服务器端初始化

2.3 sk_setup_caps()

3 整体结构

4. TCP发送路径TSO处理

4.1 tcp_sendmsg()

4.1.1 tcp_current_mss

4.2 tcp_write_xmit()

4.2.1 tcp_init_tso_segs()

4.2.2 tso_fragment()

TSO相关的内容充斥着TCP的整个发送过程，弄明白其机制对理解TCP的发送过程至关重要。

1 基本概念

我们知道，网络设备一次能够传输的最大数据量就是MTU，即IP传递给网络设备的每一个数据包不能超过MTU个字节，IP层的分段和重组功能就是为了适配网络设备的MTU而存在的。从理论上来讲，TCP可以不关心MTU的限定，只需要按照自己的意愿随意的将数据包丢给IP，是否需要分段可以由IP透明的处理，但是由于TCP是可靠性的流传输，如果是在IP层负责传输那么由于仅有首片的IP报文中含有TCP，后面的TCP报文如果在传输过程中丢失，通信的双方是无法感知的，基于此TCP在实现时总是会基于MTU设定自己的发包大小，尽量避免让数据包在IP层分片，也就是说TCP会保证一个TCP段经过IP封装后传给网络设备时，数据包的大小不会超过网络设备的MTU。

TCP的这种实现会使得其必须对用户空间传入的数据进行分段，这种工作很固定，但是会耗费CPU时间，所以在高速网络中就想优化这种操作。优化的思路就是TCP将大块数据（远超MTU）传给网络设备，由网络设备按照MTU来分段，从而释放CPU资源，这就是TSO(TCP Segmentation Offload)的设计思想。

显然，TSO需要网络设备硬件支持。更近一步，TSO实际上是一种延迟分段技术，延迟分段会减少发送路径上的数据拷贝操作，所以即使网络设备不支持TSO，只要能够延迟分段也是有收益的，而且也不仅仅限于TCP，对于其它L4协议也是可以的，这就衍生出了GSO(Generic Segmentation Offload)。这种技术是指尽可能的延迟分段，最好是在设备驱动程序中进行分段处理，但是这样一来就需要修改所有的网络设备驱动，不太现实，所以再提前一点，在将数据递交给网络设备的入口处由软件进行分段（见dev_queue_xmit()），这正是Linux内核的实现方式。

注：类似的一些概念如LSO、UFO等，可以类比理解，这里不再叙述。

2 TCP延迟分段判定

对于TCP来讲，无论最终延迟分段是由TSO(网络设备)实现，还是由软件来实现(GSO)，TCP的处理都是一样的。下面来看看TCP到底是如何判断自己是否可以延迟分段的。

static inline int sk_can_gso(const struct sock *sk)
{
	//实际上检查的就是sk->sk_route_caps是否设定了sk->sk_gso_type能力标记
	return net_gso_ok(sk->sk_route_caps, sk->sk_gso_type);
}

static inline int net_gso_ok(int features, int gso_type)
{
	int feature = gso_type << NETIF_F_GSO_SHIFT;
	return (features & feature) == feature;
}

sk_route_caps字段代表的是路由能力；sk_gso_type表示的是L4协议期望底层支持的GSO技术。这两个字段都是在三次握手过程中设定的，客户端和服务器端的初始化分别如下。

2.1 客户端初始化

客户端是在tcp_v4_connect()中完成的，相关代码如下：

int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
...
	//设置GSO类型为TCPV4，该类型值会体现在每一个skb中，底层在
	//分段时需要根据该类型区分L4协议是哪个，以做不同的处理
	sk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4;
	//见下面
	sk_setup_caps(sk, &rt->u.dst);
...
}

2.2 服务器端初始化

服务器端是在收到客户端传来的ACK后即三次握手的最后一步，会新建一个sock并进行的初始化，相关代码如下：

struct sock *tcp_v4_syn_recv_sock(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
				  struct request_sock *req,
				  struct dst_entry *dst)
{
...
	//同上
	newsk->sk_gso_type = SKB_GSO_TCPV4;
	sk_setup_caps(newsk, dst);
...
}

2.3 sk_setup_caps()

设备和路由是相关的，L4协议会先查路由，所以设备的能力最终会体现在路由缓存中，sk_setup_caps()就是根据路由缓存中的设备能力初始化sk_route_caps字段。

enum {
	SKB_GSO_TCPV4 = 1 << 0,
	SKB_GSO_UDP = 1 << 1,
	/* This indicates the skb is from an untrusted source. */
	SKB_GSO_DODGY = 1 << 2,
	/* This indicates the tcp segment has CWR set. */
	SKB_GSO_TCP_ECN = 1 << 3,
	SKB_GSO_TCPV6 = 1 << 4,
};

#define NETIF_F_GSO_SHIFT	16
#define NETIF_F_GSO_MASK	0xffff0000
#define NETIF_F_TSO		(SKB_GSO_TCPV4 << NETIF_F_GSO_SHIFT)
#define NETIF_F_UFO		(SKB_GSO_UDP << NETIF_F_GSO_SHIFT)
#define NETIF_F_TSO_ECN		(SKB_GSO_TCP_ECN << NETIF_F_GSO_SHIFT)
#define NETIF_F_TSO6		(SKB_GSO_TCPV6 << NETIF_F_GSO_SHIFT)

#define NETIF_F_GSO_SOFTWARE	(NETIF_F_TSO | NETIF_F_TSO_ECN | NETIF_F_TSO6)

void sk_setup_caps(struct sock *sk, struct dst_entry *dst)
{
	__sk_dst_set(sk, dst);
	//初始值来源于网络设备中的features字段
	sk->sk_route_caps = dst->dev->features;
	//如果支持GSO，那么路由能力中的TSO标记也会设定，因为对于L4协议来讲，
	//延迟分段具体是用软件还是硬件来实现自己并不关心
	if (sk->sk_route_caps & NETIF_F_GSO)
		sk->sk_route_caps |= NETIF_F_GSO_SOFTWARE;
	//支持GSO时，sk_can_gso()返回非0。还需要对一些特殊场景判断是否真的可以使用GSO
	if (sk_can_gso(sk)) {
		//只有使用IPSec时，dst->header_len才不为0，这种情况下不能使用TSO特性
		if (dst->header_len)
			sk->sk_route_caps &= ~NETIF_F_GSO_MASK;
		else
			//支持GSO时，必须支持SG IO和校验功能，这是因为分段时需要单独设置每个
			//分段的校验和，这些工作L4是没有办法提前做的。此外，如果不支持SG IO，
			//那么延迟分段将失去意义，因为这时L4必须要保证skb中数据只保存在线性
			//区域，这就不可避免的在发送路径中必须做相应的数据拷贝操作
			sk->sk_route_caps |= NETIF_F_SG | NETIF_F_HW_CSUM;
	}
}

上述代码中涉及到的几个能力的含义如下表所示：

3 整体结构

TSO的处理会影响整个数据包发送路径，不仅仅是TCP层，下面先看一个整体的结构图，然后分析下TCP层发送路径上对TSO的处理，其它协议层的处理待后续补充。

注：图片来源于：https://www.cnblogs.com/lvyilong316/p/6818231.html

如上图所示，在TCP的发送路径上，有如下几个点设计TSO的处理：

1. tcp_sendmsg() 中调用tcp_current_mss()确定一个skb最多可以容纳多少数据量，即确定tp->xmit_size_goal；
2. tcp_write_xmit() 中调用tcp_init_gso_segs()设置skb中GSO字段，底层软件或者网卡将根据这些信息进行分段处理；
3. 用 tso_fragment() 对数据包进行分段，见《linux内核协议栈 TCP层数据发送之发送新数》。

4. TCP发送路径TSO处理

4.1 tcp_sendmsg()

首先是 tcp_sendmsg()，该函数负责将用户空间的数据封装成一个个的skb，所以它需要要知道每个skb应该要容纳多少的数据量，这是通过tcp_current_mss()设定的，代码如下：

int tcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
		size_t size)
{
...
	//tcp_current_mss()中会设置tp->xmit_size_goal
	mss_now = tcp_current_mss(sk, !(flags&MSG_OOB));
	//size_goal就是本次发送每个skb可以容纳的数据量，它是mss_now的整数倍，
	//后面tcp_sendmsg()在组织skb时，就以size_goal为上界填充数据
	size_goal = tp->xmit_size_goal;
...
}

4.1.1 tcp_current_mss

//在"TCP选项之MSS"笔记中已经分析过该函数确定发送MSS的部分，这里重点关注tp->xmit_size_goal的部分
unsigned int tcp_current_mss(struct sock *sk, int large_allowed)
{
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	struct dst_entry *dst = __sk_dst_get(sk);
	u32 mss_now;
	u16 xmit_size_goal;
	int doing_tso = 0;

	mss_now = tp->mss_cache;

	//不考虑MSG_OOB相关，从前面的介绍中我们可以知道都是支持GSO的
	if (large_allowed && sk_can_gso(sk) && !tp->urg_mode)
		doing_tso = 1;

	//下面三个分支是MSS相关
	if (dst) {
		u32 mtu = dst_mtu(dst);
		if (mtu != inet_csk(sk)->icsk_pmtu_cookie)
			mss_now = tcp_sync_mss(sk, mtu);
	}
	if (tp->rx_opt.eff_sacks)
		mss_now -= (TCPOLEN_SACK_BASE_ALIGNED +
			    (tp->rx_opt.eff_sacks * TCPOLEN_SACK_PERBLOCK));
#ifdef CONFIG_TCP_MD5SIG
	if (tp->af_specific->md5_lookup(sk, sk))
		mss_now -= TCPOLEN_MD5SIG_ALIGNED;
#endif

	//xmit_size_goal初始化为MSS
	xmit_size_goal = mss_now;
	//如果支持TSO，则xmit_size_goal可以更大
	if (doing_tso) {
		//65535减去协议层的头部，包括选项部分
		xmit_size_goal = (65535 -
				  inet_csk(sk)->icsk_af_ops->net_header_len -
				  inet_csk(sk)->icsk_ext_hdr_len -
				  tp->tcp_header_len);
		//调整xmit_size_goal不能超过对端接收窗口的一半
		xmit_size_goal = tcp_bound_to_half_wnd(tp, xmit_size_goal);
		//调整xmit_size_goal为MSS的整数倍
		xmit_size_goal -= (xmit_size_goal % mss_now);
	}
	//将确定的xmit_size_goal记录到TCB中
	tp->xmit_size_goal = xmit_size_goal;

	return mss_now;
}

/* Bound MSS / TSO packet size with the half of the window */
static int tcp_bound_to_half_wnd(struct tcp_sock *tp, int pktsize)
{
	//max_window为当前已知接收方所拥有的最大窗口值，这里如果参数pktsize超过
	//了接收窗口的一半，则调整其大小最大为接收窗口的一半
	if (tp->max_window && pktsize > (tp->max_window >> 1))
		return max(tp->max_window >> 1, 68U - tp->tcp_header_len);
	else
		//其余情况不做调整
		return pktsize;
}

4.2 tcp_write_xmit()

static int tcp_write_xmit(struct sock *sk, unsigned int mss_now, int nonagle)
{
...
	unsigned int tso_segs;

	while ((skb = tcp_send_head(sk))) {
...
		//用MSS初始化skb中的gso字段，返回本skb将会被分割成几个TSO段传输
		tso_segs = tcp_init_tso_segs(sk, skb, mss_now);
		BUG_ON(!tso_segs);
...
		if (tso_segs == 1) {
			//Nagle算法检测，如果已经有小数据段没有被确认，则本次发送尝试失败
			if (unlikely(!tcp_nagle_test(tp, skb, mss_now, 
				(tcp_skb_is_last(sk, skb) ? nonagle : TCP_NAGLE_PUSH)))) {
				break;
			}
		} else {
			if (tcp_tso_should_defer(sk, skb))
				break;
		}
		//limit是本次能够发送的字节数，如果skb的大小超过了limit，那么需要将其切割
		limit = mss_now;
		if (tso_segs > 1)
			limit = tcp_mss_split_point(sk, skb, mss_now, cwnd_quota);
		if (skb->len > limit && unlikely(tso_fragment(sk, skb, limit, mss_now)))
			break;
...
	}
...
}

4.2.1 tcp_init_tso_segs()

该函数设置skb中的GSO相关字段信息，并且返回

/* This must be invoked the first time we consider transmitting
 * SKB onto the wire.
 */
static int tcp_init_tso_segs(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, unsigned int mss_now)
{
	int tso_segs = tcp_skb_pcount(skb);
	//cond1: tso_segs为0表示该skb的GSO信息还没有被初始化过
	//cond2: MSS发生了变化，需要重新计算GSO信息
	if (!tso_segs || (tso_segs > 1 && tcp_skb_mss(skb) != mss_now)) {
		tcp_set_skb_tso_segs(sk, skb, mss_now);
		tso_segs = tcp_skb_pcount(skb);
	}
	//返回需要分割的段数
	return tso_segs;
}

/* Due to TSO, an SKB can be composed of multiple actual
 * packets.  To keep these tracked properly, we use this.
 */
static inline int tcp_skb_pcount(const struct sk_buff *skb)
{
	//gso_segs记录了网卡在传输当前skb时应该将其分割成多少个包进行
	return skb_shinfo(skb)->gso_segs;
}

/* This is valid iff tcp_skb_pcount() > 1. */
static inline int tcp_skb_mss(const struct sk_buff *skb)
{
	//gso_size记录了该skb应该按照多大的段被切割，即上次的MSS
	return skb_shinfo(skb)->gso_size;
}

//设置skb中的GSO信息，所谓GSO信息，就是指skb_shared_info中的
//gso_segs、gso_size、gso_type三个字段
static void tcp_set_skb_tso_segs(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, unsigned int mss_now)
{
	//如果该skb数据量不足一个MSS，或者根本就不支持GSO，那么就是一个段
	if (skb->len <= mss_now || !sk_can_gso(sk)) {
		/* Avoid the costly divide in the normal non-TSO case.*/
		//只需设置gso_segs为1，另外两个字段在这种情况下无意义
		skb_shinfo(skb)->gso_segs = 1;
		skb_shinfo(skb)->gso_size = 0;
		skb_shinfo(skb)->gso_type = 0;
	} else {
		//计算要切割的段数，就是skb->len除以MSS，结果向上取整
		skb_shinfo(skb)->gso_segs = DIV_ROUND_UP(skb->len, mss_now);
		skb_shinfo(skb)->gso_size = mss_now;
		//gso_type来自于TCB，该字段的初始化见上文
		skb_shinfo(skb)->gso_type = sk->sk_gso_type;
	}
}

4.2.2 tso_fragment()

tso_fragment() 对数据包进行分段，见《linux内核协议栈 TCP层数据发送之发送新数》。