TCP带外数据：理解OOB与紧急模式-优快云博客

参考：《UNIX 网络编程 · 卷1 : 套接字联网API》
参考：《UNIX环境高级编程》

带外数据概念

带外数据（out-of-band data）是一些通信协议所支持的可选功能，与普通数据相比，它允许更高优先级的数据传输。带外数据先行传输，即使传输队列已经有数据。TCP 支持带外数据，但是 UDP 不支持。套接字接口对带外数据的支持很大程度上受 TCP 带外数据具体实现的影响。

假设一个进程已经往一个 TCP 套接字写出 N 字节数据，而且 TCP 把这些数据排队在该套接字的发送缓冲区中，等着发送到对端，该进程接着以 MSG_OOB 标志调用 send 函数写出一个函数 ASCII 字符 a 的单字节带外数据：

send(fd, "a", 1, MSG_OOB);

TCP 把这个数据放置在该套接字发送缓冲区的下一个可用位置，并把该连接的 TCP 紧急指针设置成再下一个可用位置。如下如，展示了此时的缓冲区，并且把带外字节标记为“OOB”。

TCP带外数据

发送端 TCP 将为待发送的下一个分节在 TCP 首部中设置 URG 标志，并把紧急编译字段设置为指向带外字节之后的字节，不过该分节可能不含我们标记为 OOB 的那个字节。OOB 字节是否发送取决于在套接字发送缓冲区先于它的字节数、TCP 准备发送给对端分节大小以及对端通告的当前窗口。

一个 TCP 紧急模式的一个重要的特点：即使发送端 TCP 因为流量控制而暂停发送数据，紧急通知照样不伴随任何数据地发送，紧急通知总是无障碍地发送到对端 TCP。

如下示例：

如果我们发送多个字节，情况又会怎么样：

send(fd, "abc", 3, MSG_OOB);

其中字母 c 被认为是带外数据，下面从接收端来看：

当收到一个设置了 URG 标志地分节时，接收端 TCP 检查紧急指针，确定它是否指向新的带外数据。发送端通常在一小段时间内往往发送多个含有 URG 标志且紧急指针指向同一个数据字节地分节，但只有第一个到达地会导致通知接收进程有新的带外数据到达。
当有新的紧急指针到达时，接收进程被通知到。首先内核给接受套接字地属主进程发送 SIGURG 信号，前提是接收进程曾调用了 fcntl 或 ioctl 为这个套接字建立了属主，而且已经为这个信号建立了信号处理函数。如果接受进程阻塞在 select 中等待这个套接字描述符出现一个异常条件，select 调用就返回。一旦新的紧急指针到达，不论由紧急指针指向的实际数据字节是否已经到达接收端 TCP，这两个潜在通知进程的手段就发生动作。只有一个 OOB 标记，如果新的 OOB 字节在旧的 OOB 字节被读取之前就到达，旧的 OOB 字节就会被丢弃。
当紧急指针指向实际数据字节到达接收端 TCP 时，该数据字节即可能被拉出带外，也可能留在带内。SO_OOBINLINE 套接字选项默认情况下是禁止的，对于这样的接收端套接字，该数据字节并不放入套接字接收缓冲区。而是放入该连接的一个独立的单字节带外数据缓冲区。接收进程从这个单字节缓冲区读入数据地唯一方法是是指定 MSG_OOB 标志调用 recv、recvfrom、recvmsg。

然而如果接收进程开启了 SO_OOBINLINE 套接字选项，那么由 TCP 紧急指针指向的实际数据字节将被留在通常地套接字接受缓冲区中。这种情况下，接收进程不能指定 MSG_OOB 标志读入该数据字节。

简单的说，AUPE 中将其描述如下：

TCP 将带外数据称为紧急数据（urgent data）。TCP 仅支持一个字节的紧急数据，但是允许紧急数据在普通数据传递机制数据流之外传输。为了产生紧急数据，可以在 3 个 send 函数中的任何一个里指定 MSG_OOB 标志。如果带 MSG_OOB 标志发送的字节数超过一个时，最后一个字节将被视为紧急数据字节。

如果通过套接字安排了信号的产生，那么紧急数据被接收时，会发送 SIGURG 信号。在 fcntl 中使用 F_SETOWN 命令来设置一个套接字的所有权。如果 fcntl 中的第三个参数为正值，那么它指定的就是进程 ID。如果为非 -1 的负值，那么它代表的就是进程组 ID。因此，可以通过调用以下函数安排进程接收套接字的信号：

fcntl(sockfd, F_SETOWN, pid);

F_GETOWN 命令可以用来获得当前套接字所有权。对于 F_SETOWN 命令，负值代表进程组 ID，正值代表进程 ID。因此，调用：

owner = fcntl(sockfd, F_GETOWN, 0);

将返回 owner，如果 owner 为正值，则等于配置为接收套接字信号的进程的 ID。如果 owner为负值，其绝对值为接收套接字信号的进程组的ID。

TCP支持紧急标记（urgent mark）的概念，即在普通数据流中紧急数据所在的位置。如果采用套接字选项SO_OOBINLINE，那么可以在普通数据中接收紧急数据。为帮助判断是否已经到达紧急标记，可以使用函数sockatmark。

#include <sys/socket.h>
int sockatmark(int sockfd);

返回值：若在标记处，返回 1；若没在标记处，返回 0；若出错，返回 -1。当下一个要读取的字节在紧急标志处时，sockatmark 返回 1。

当带外数据出现在套接字读取队列时，select 函数会返回一个文件描述符并且有一个待处理的异常条件。可以在普通数据流上接收紧急数据，也可以在其中一个 recv 函数中采用 MSG_OOB 标志在其他队列数据之前接收紧急数据。TCP 队列仅用一个字节的紧急数据。如果在接收当前的紧急数据字节之前又有新的紧急数据到来，那么已有的字节会被丢弃。