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TCP连接建立的三次握手过程可以携带数据吗?

分类: 后台技术 发布时间: 2017-01-16 16:16:16 浏览次数: 623
内容提要: 前几天实验室的群里扔出了这样一个问题:TCP连接建立的三次握手过程可以携带数据吗?突然发现自己还真不清楚这个问题,平日里用tcpdump或者Wireshark抓包时,从来没留意过第三次握手的ACK包有没有数据。于是赶紧用nc配合tcpdump抓了几次包想检验一下。但是经过了多次实验,确实都发现第三次握手的包没有其它数据(后文解释)。后来的探究中发现这个过程有问题,遂整理探究过程和结论汇成本文,以供后来者参考。

前几天实验室的群里扔出了这样一个问题:TCP连接建立的三次握手过程可以携带数据吗?突然发现自己还真不清楚这个问题,平日里用tcpdump或者Wireshark抓包时,从来没留意过第三次握手的ACK包有没有数据。于是赶紧用nc配合tcpdump抓了几次包想检验一下。但是经过了多次实验,确实都发现第三次握手的包没有其它数据(后文解释)。后来的探究中发现这个过程有问题,遂整理探究过程和结论汇成本文,以供后来者参考。

先来张三次握手的图(下面这张图来自网络,若侵犯了作者权利,请联系我删除):

RFC793文档里带有SYN标志的过程包是不可以携带数据的,也就是说三次握手的前两次是不可以携带数据的(逻辑上看,连接还没建立,携带数据好像也有点说不过去)。重点就是第三次握手可不可以携带数据。

先说结论:TCP协议建立连接的三次握手过程中的第三次握手允许携带数据

对照着上边的TCP状态变化图的连接建立部分,我们看下RFC793文档的说法。RFC793文档给出的说法如下(省略不重要的部分):

重点是这句 “Data or controls which were queued for transmission may be included”,也就是说标准表示,第三次握手的ACK包是可以携带数据。那么Linux的内核协议栈是怎么做的呢?侯捷先生说过,“源码面前,了无秘密”。最近恰逢Kernel 4.0正式版发布,那就追查下这个版本的内核协议栈的源码吧。

在探索源码前,我们假定读者对Linux的基本socket编程很熟悉,起码对连接的流程比较熟悉(可以参考这篇文章《浅谈服务端编程》最前边的socket连接过程图)。至于socket接口和协议栈的挂接,可以参阅《socket接口与内核协议栈的挂接》 。

首先, 第三次握手的包是由连接发起方(以下简称客户端)发给端口监听方(以下简称服务端)的,所以只需要找到内核协议栈在一个连接处于SYN-RECV(图中的SYN_RECEIVED)状态时收到包之后的处理过程即可。经过一番搜索后找到了,位于 net\ipv4目录下tcp_input.c文件中的tcp_rcv_state_process函数处理这个过程。如图:

这个函数实际上是个TCP状态机,用于处理TCP连接处于各个状态时收到数据包的处理工作。这里有几个并列的switch语句,因为函数很长,所以比较容易看错层次关系。下图是精简了无需关注的代码之后SYN-RECV状态的处理过程:

一定要注意这两个switch语句是并列的。所以当TCP_SYN_RECV状态收到合法规范的二次握手包之后,就会立即把socket状态设置为TCP_ESTABLISHED状态,执行到下面的TCP_ESTABLISHED状态的case时,会继续处理其包含的数据(如果有)。

上面表明了,当客户端发过来的第三次握手的ACK包含有数据时,服务端是可以正常处理的。那么客户端那边呢?那看看客户端处于SYN-SEND状态时,怎么发送第三次ACK包吧。如图:

tcp_rcv_synsent_state_process函数的实现比较长,这里直接贴出最后的关键点:

一目了然吧?if 条件不满足直接回复单独的ACK包,如果任意条件满足的话则使用inet_csk_reset_xmit_timer函数设置定时器等待短暂的时间。这段时间如果有数据,随着数据发送ACK,没有数据回复ACK。

之前的疑问算是解决了。

但是,那三个条件是什么?什么情况会导致第三次握手包可能携带数据呢?或者说,想抓到一个第三次握手带有数据的包,需要怎么做?别急,本博客向来喜欢刨根问底,且听下文一一道来。

条件1:sk->sk_write_pending != 0

这个值默认是0的,那什么情况会导致不为0呢?答案是协议栈发送数据的函数遇到socket状态不是ESTABLISHED的时候,会对这个变量做++操作,并等待一小会时间尝试发送数据。看图:

net/core/stream.c里的sk_stream_wait_connect函数做了如下操作:

sk->sk_write_pending递增,并且等待socket连接到达ESTABLISHED状态后发出数据。这就解释清楚了。

Linux socket的默认工作方式是阻塞的,也就是说,客户端的connect调用在默认情况下会阻塞,等待三次握手过程结束之后或者遇到错误才会返回。那么nc这种完全用阻塞套接字实现的且没有对默认socket参数进行修改的命令行小程序会乖乖等待connect返回成功或者失败才会发送数据的,这就是我们抓不到第三次握手的包带有数据的原因。

那么设置非阻塞套接字,connect后立即send数据,连接过程不是瞬间连接成功的话,也许有机会看到第三次握手包带数据。不过开源的网络库即便是非阻塞socket,也是监听该套接字的可写事件,再次确认连接成功才会写数据。为了节省这点几乎可以忽略不计的性能,真的不如安全可靠的代码更有价值。

条件2:icsk->icsk_accept_queue.rskq_defer_accept != 0

这个条件好奇怪,defer_accept是个socket选项,用于推迟accept,实际上是当接收到第一个数据之后,才会创建连接。tcp_defer_accept这个选项一般是在服务端用的,会影响socket的SYN和ACCEPT队列。默认不设置的话,三次握手完成,socket就进入accept队列,应用层就感知到并ACCEPT相关的连接。当tcp_defer_accept设置后,三次握手完成了,socket也不进入ACCEPT队列,而是直接留在SYN队列(有长度限制,超过内核就拒绝新连接),直到数据真的发过来再放到ACCEPT队列。设置了这个参数的服务端可以accept之后直接read,必然有数据,也节省一次系统调用。

SYN队列保存SYN_RECV状态的socket,长度由net.ipv4.tcp_max_syn_backlog参数控制,accept队列在listen调用时,backlog参数设置,内核硬限制由 net.core.somaxconn 限制,即实际的值由min(backlog,somaxconn) 来决定。

有意思的是如果客户端先bind到一个端口和IP,然后setsockopt(TCP_DEFER_ACCEPT),然后connect服务器,这个时候就会出现rskq_defer_accept=1的情况,这时候内核会设置定时器等待数据一起在回复ACK包。我个人从未这么做过,难道只是为了减少一次ACK的空包发送来提高性能?哪位同学知道烦请告知,谢谢。

条件3:icsk->icsk_ack.pingpong != 0

pingpong这个属性实际上也是一个套接字选项,用来表明当前链接是否为交互数据流,如其值为1,则表明为交互数据流,会使用延迟确认机制。

好了,本文到此就应该结束了,上面各个函数出现的比较没有条理。具体的调用链可以参考这篇文章《TCP内核源码分析笔记》,不过因为内核版本的不同,可能会有些许差异。毕竟我没研究过协议栈,就不敢再说什么了。

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