Linux Tcp内核协议栈Packet Drill基本原理是什么

本篇内容介绍了“Linux Tcp内核协议栈Packet Drill基本原理是什么”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

Linux TCP 内核协议栈是一个非常复杂的实现，  不但沉淀了过去20多年的设计与实现，同时还在不停的更新。相关的RFC与优化工作一直还在进行中。如何研究和学习Linux  TCP内核协议栈这样一块硬骨头就成了一大难题。

当然最重要也是最基本的还是要阅读相关的RFC和内核中的代码实现。这个是最最基本的要求。想要驯服TCP 内核协议栈这样的monster  仅仅浏览和静态分析代码是完全不够的。因为整个实现中充斥着各种边界条件和异常的处理(这里有部分原因是因为TCP协议本身设计造成的)，尤其是TCP是有状态的协议，  很多边界条件的触发需要一系列的报文来构成，同时还需要满足时延等其它条件。

幸运的是Google在2013年替大家解决了这个难题。Google 在2013 年发布了TCP 内核协议栈 测试工具 Packet  Drill。这个工具是名副其实，大大的简化了学习和测试TCP 内核协议栈的难度。基本可以随心所欲的触摸TCP  内核协议栈的每个细节。Google的这件工具真是造福了人类。

使用Packet Drill， 用户可以随心所欲的构造报文序列，可以指定所有的报文格式(类似tcpdump语法)然后通过TUN接口和目标系统的TCP  内核协议栈来通信， 并对接收到的来自目标系统TCP 内核协议栈 的报文进行校验，来确定是否通过测试。再进一步结合wireshark+Packet Drill  用户可以获得最直观而且具体的体验。每个报文的每个细节都在掌控之中，溜得飞起，人生瞬间到达了巅峰。

Packet Drill 基本原理

TUN 网络设备

TUN 是Linux 下的虚拟网络设备， 可以直通到网络层。使得应用程序可以直接收发IP报文。

Packet Drill 脚本解析/执行引擎

• 首先 Packet Drill 脚本必须要被解析和分解为 通过传统socket 接口收发报文的部分和通过TUN接口收发报文的部分

• 在传统socket 接口执行对应的动作。

• 在TUN接口执行对应的动作，并对收到的数据进行比对。

• 在本文中 socket 接口主要扮演的是 server  side的角色。TUN接口扮演的是client的角色。因而我们可以通过TUN接口完全掌控我们将要发送出去的IP报文，并受到TCP协议栈的反馈。并和预设数据进行比对。

Packet Drill 语法简介

相对时间顺序

Packet Drill 每一个事件(发送/接收/发起系统调用)都有相对前后事件的时间便宜。一般使用+number 来表达。例如+0  就是在之前的事件结束之后立即发起。+.1 表示为在之前时间结束0.1秒之后发起。以此类推

系统调用

Packet Drill 中集成了系统调用， 可以通过脚本来完成例如 socket，bind， read，write，getsocketoption  等等系统调用。熟悉socket 编程的同学很容易理解并使用。

报文的发送与接受

• 通过内核栈侧。可以通过调用系统调用 read/write  来完成报文的发送与接受。但是因为tcp是有状态的协议栈，所以内核栈本身也会根据协议栈所处状态发送报文(例如ACK/SACK).

• TUN 设备侧. Packet Drill 使用 < 表示发送报文， 使用 > 表示接收报文。

报文的格式描述

报文格式的表达比较类似tcpdump。例如 S 0:0(0) win 1000表示syn包 win大小为1000， 同时tcp的选项 mss (max  segment size)为1000. 

下面我们通过2个例子来进一步学习

Handshake and Teardown

我们通过packet drill的脚本 复习一下这个经典的流程。

首选来回顾一下 TCP协议标准的 handshake 和 treardown 流程

接下来我们结合packet drill 的脚本来重现 整个过程

//创建server侧socket， server侧socket 将通过内核协议栈来通信  // 注意这里使用的是传统的系统调用  0 socket(..., SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3     //设置对应的socket options  // 注意这里使用的是传统的系统调用  +0 setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0     //bind socket  // 注意这里使用的是传统的系统调用  +0 bind(3, ..., ...) = 0     //listen on the socket  // 注意这里使用的是传统的系统调用  +0 listen(3, 1) = 0     // client侧（TUN）发送 syn 握手的第一个报文  // 注意这里的语法 syn seq都是相对的，从0开始。  +0 < S 0:0(0) win 1000 <mss 1000>     // client侧（TUN）期望收到的报文格式 syn+ack 且 ack.no=ISN(c)+1  // 参考标准流程图 最后的<...> 表示任何tcp option都可以  // 这里是握手的第二步  +0 > S. 0:0(0) ack 1 <...>     // client侧（TUN）发送 ack 报文 seq = ISN(c)+1, ack = ISN(c) +1  // 这里是握手的第三步  +.1 < . 1:1(0) ack 1 win 1000     //握手成功，server侧 socket 返回 established socket  //这时通过accept 系统调用拿到这个stream 的socket  +0 accept(3, ..., ...) = 4     //server侧向stream 写入 10 bytes  //通过系统调用来完成写操作  +0 write(4, ..., 10)=10     //client侧期望收到receive 10 bytes  +0 > P. 1:11(10) ack 1     //client侧应答 ack 表示接收到 10 bytes  +.0 < . 1:1(0) ack 11 win 1000     // client 关闭连接 发送fin包  +0 < F. 1:1(0) ack 11 win 4000     // client侧期望接收到server端的对于fin的ack报文  // 这里由内核协议栈发回。ack = server seq +1, seq = server ack  // 参考标准流程图  +.005 > . 11:11(0) ack 2     // server 关闭连接 通过系统调用完成  +0 close(4) = 0     // client期望接收到的fin包格式  +0 > F. 11:11(0) ack 2     // client 发送server端fin包的应答ack包  +0 < . 2:2(0) ack 12 win 4000

至此， 我们纯手动的完成了全部的发起和关闭连接的过程。然后我们用wireshark 来验证一下

通过结合packetdrill与wireshark 使得每一步都在我们的掌控之中，

SACK

我们将使用packet drill 来探索一些更为复杂的案例。例如内核协议栈对于 SACK中各种排列组合的响应。

SACK 是TCP协议中优化重传机制的一个重要选项(该选项一般都在报头的options部分)。

最原始的情况下如果发送方对于 每一个报文接受到ACK之后再发送下一个报文， 效率将是极为低下的。引入滑动窗口之后允许发送方一次发送多个报文  但是如果中间某个报文丢失(没有收到其对应的ACK)那么从那个报文开始，其后所有发送过的报文都要被重新发送一次。造成了极大的浪费。

SACK 是一种优化措施， 用来避免不必要的重发， 告知发送方那些报文已经收到，不用再重发。tcp  的选项中允许带有最多3个SACK的options。也就是三个已经收到了得报文区间信息。说了这么多， 还是有一些抽象， 我们来看一个具体的示例。

示例说明

在下面的这个例子中， 我们需要发送报文的顺序是 1，3，5，6，8，4，7，2  也就是测试一下内核tcp协议栈的SACK逻辑是否如同RFC中所描述的一样。

// 初始化部分建立服务器端socket， 不再赘述  +0 socket(..., SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3  +0 setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0  +0 bind(3, ..., ...) = 0  +0 listen(3, 1) = 0     // Client 端发送 握手报文以及接受服务器响应，不再赘述。这里注意激活了SACK  +.1 < S 0:0(0) win 50000 <mss 1000, sackOK,nop,nop,nop,wscale 7>  +0 > S. 0:0(0) ack 1 win 32000 <mss 1000,nop,nop,sackOK>  +0 < . 1:1(0) ack 1 win 50000     // Server 端就绪  +.1 accept(3, ..., ...) = 4     //发送报文1  +0 < . 1:1001(1000) ack 1 win 50000  //发送报文3， 报文2 被调整到最后发送  +0 < . 2001:3001(1000) ack 1 win 50000  //发送报文5 报文4 被调整乱序  +0 < . 4001:5001(1000) ack 1 win 50000  //发送报文6  +0 < . 5001:6001(1000) ack 1 win 50000   //发送报文8 报文7 被调整乱序  +0 < P. 7001:8001(1000) ack 1 win 50000  //发送报文4  +0 < . 3001:4001(1000) ack 1 win 50000  //发送报文7  +0 < . 6001:7001(1000) ack 1 win 50000  // 接收到第一个报文的ACK  +0 > . 1:1(0) ack 1001     // 接收到SACK， 报告收到了乱序的报文3，但是没报文2。  +0 > . 1:1(0) ack 1001 win 31000 <nop,nop,sack 2001:3001>  // 接收到SACK， 报告收到了乱序的报文3，报文5，但是没报文2。没报文4  +0 > . 1:1(0) ack 1001 win 31000 <nop,nop,sack 4001:5001 2001:3001>  // 接收到SACK， 报告收到了乱序的报文3，报文5，但是没报文2。没报文4  +0 > . 1:1(0) ack 1001 win 31000 <nop,nop,sack 4001:6001 2001:3001>  // 接收到SACK， 报告收到了乱序的报文3，报文5，6， 报文8，但是没报文2。没报文4，没报文7  +0 > . 1:1(0) ack 1001 win 31000 <nop,nop,sack 7001:8001 4001:6001 2001:3001>  // 接收到SACK， 报告收到了乱序的报文3，4，5，6， 报文8，但是没报文2。没报文7  +0 > . 1:1(0) ack 1001 win 31000 <nop,nop,sack 2001:6001 7001:8001>  // 接收到SACK， 报告收到了乱序的报文3，4，5，6，7，8，但是没报文2  +0 > . 1:1(0) ack 1001 win 31000 <nop,nop,sack 2001:8001>     //发送报文2 至此所有报文完结  +0 < . 1001:2001(1000) ack 1 win 50000     +0 > . 1:1(0) ack 8001`

随后我们再来用wireshark 验证一下。

果然完全匹配。

Packet Drill 其实还有非常复杂而且更精巧的玩法， 可以充分测试各种边界条件。以后有机会再和大家进一步分享

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