linux开启tcp_timestamps和tcp_tw_recycle引发的问题研究

环境：centos7.4 内核版本3.10

最近看内核参数tcp_tw_recycle(该参数在内核 4.12 之后被移除），它用于快速回收处理TIME_WAIT状态的socket。搜索该参数相关的资料，发现同时启用该参数和tcp_timestamps后有可能在NAT环境下导致客户端始连接失败，抓包表现为：客户端一直发送SYN报文，但服务端不响应。但这些文章中只给出了如何解决问题，并没有给出如何复现问题。特别怪异的是，服务端是被动关闭的，并不会进入TIME_WAIT状态，到底怎么产生的呢？

先使用如下拓扑复现该场景，其中10.85.3.51机器为NAT服务器，10.85.1.2和10.85.3.52通过NAT服务器访问server 10.85.3.111:19090

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|  10.85.1.2  +------------+
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                     +-----+-------+         +---------------------+
                     |  10.85.3.51 +---------+  10.85.3.111:19090  +
                     +-----+-------+         +---------------------+
+-------------+            |
|  10.85.3.52 +------------+
+-------------+

在10.85.3.51机器上配置如下iptables表项，用于转发client和server之间的TCP报文。(10.85.3.51需要开启net.ipv4.ip_forward功能)

# iptables -t nat -I PREROUTING -d 10.85.3.51 -p tcp -m tcp --dport 29090 -j DNAT --to 10.85.3.111:19090
# iptables -t nat -I POSTROUTING -d 10.85.3.111 -p tcp -m tcp --dport 19090 -j SNAT --to 10.85.3.51

• 首先开启tcp_timestamps，关闭tcp_tw_recycle

在10.85.3.111上进行抓包并且启动10.85.1.2和10.85.3.52进行连接。报文如下，其中第4和第7条为两个连接的TCP SYN报文，后续server都进行了回复，两条连接正常建链

1 # tcpdump -i eth0 src port 19090 or dst port 19090
2 tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
3 listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
4 17:39:27.970358 IP 10.85.3.51.57104 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 2466985868, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 3075335984 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
5 17:39:27.970417 IP 10.85.3.111.19090 > 10.85.3.51.57104: Flags [S.], seq 2846609535, ack 2466985869, win 24960, options [mss 1260,sackOK,TS val 2612548200 ecr 3075335984,nop,wscale 7], length 0
6 17:39:27.970783 IP 10.85.3.51.57104 > 10.85.3.111.19090: Flags [.], ack 1, win 197, options [nop,nop,TS val 3075335985 ecr 2612548200], length 0

7 17:39:29.059890 IP 10.85.3.51.34230 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 2892210420, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 1740811766 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
8 17:39:29.059949 IP 10.85.3.111.19090 > 10.85.3.51.34230: Flags [S.], seq 3434079625, ack 2892210421, win 24960, options [mss 1260,sackOK,TS val 2612549289 ecr 1740811766,nop,wscale 7], length 0
9 17:39:29.060623 IP 10.85.3.51.34230 > 10.85.3.111.19090: Flags [.], ack 1, win 197, options [nop,nop,TS val 1740811767 ecr 2612549289], length 0

启用tcp_tw_recycle，重复上面操作。发现即使后面一个连接的SYN报文的时间戳小于前面一个连接的SYN报文中的时间戳，也能够正常建链，并没有出现连接异常。

1 # tcpdump -i eth0 src port 19090 or dst port 19090
2 tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
3 listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
4 17:49:12.111152 IP 10.85.3.51.58164 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 2599215624, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 3075920126 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
5 17:49:12.111221 IP 10.85.3.111.19090 > 10.85.3.51.58164: Flags [S.], seq 795235982, ack 2599215625, win 24960, options [mss 1260,sackOK,TS val 2613132341 ecr 3075920126,nop,wscale 7], length 0
6 17:49:12.111766 IP 10.85.3.51.58164 > 10.85.3.111.19090: Flags [.], ack 1, win 197, options [nop,nop,TS val 3075920127 ecr 2613132341], length 0

7 17:49:12.871092 IP 10.85.3.51.34234 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 3696139072, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 1741395578 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
8 17:49:12.871149 IP 10.85.3.111.19090 > 10.85.3.51.34234: Flags [S.], seq 3928136503, ack 3696139073, win 24960, options [mss 1260,sackOK,TS val 2613133101 ecr 1741395578,nop,wscale 7], length 0
9 17:49:12.871697 IP 10.85.3.51.34234 > 10.85.3.111.19090: Flags [.], ack 1, win 197, options [nop,nop,TS val 1741395579 ecr 2613133101], length 0

• 后来在这篇文章中找到灵感。正常TCP TIME_WATI时长为2MSL，用于挥手阶段最后一个ACK报文的重传，以及防止当前连接上滞留的报文影响到下一个连接。当启用tcp_tw_recycle后，系统会在一个RTO的极短时间内回收处于TIME_WAIT状态的socket，但仍然无法杜绝接收到上一个连接在链路上滞留的报文。为了防止这种情况的发生，在启用tcp_tw_recycle的情况下，由于已经释放了socket，系统无法使用socket来标记一条连接，只能退而求其次，通过判断对端IP发过来的报文的时间戳来判断该报文是新产生的还是老的报文，如果是老报文，则丢弃且不回复。

因此复现场景为：服务端主动断开与客户端的一条连接，在后续的TCP_PAWS_MSL(60s)时间内，如果客户端发过来的SYN报文的TSVal时间戳小于系统保留的上一个连接的时间戳，则该SYN报文会被丢弃，实际表现为客户端连接超时或很慢(60s之后可正常连接)

1.  首先server使用命令 telnet 10.85.3.51 22 连接NAT机器，并立即断开连接，此时server会很快回收一个TIME_WAIT的socket。在server端抓包，可以看到保存的该连接上对端发来的最后一个时间戳为3035582641

 1 # tcpdump -i eth0 src host 10.85.3.51 or dst host 10.85.3.51
 2 tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
 3 listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
 4 22:45:10.015335 IP 10.85.3.111.49416 > 10.85.3.51.ssh: Flags [S], seq 1039611753, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 2630890245 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
 5 22:45:10.016055 IP 10.85.3.51.ssh > 10.85.3.111.49416: Flags [S.], seq 489573340, ack 1039611754, win 24960, options [mss 1260,sackOK,TS val 3035577005 ecr 2630890245,nop,wscale 7], length 0
 6 22:45:10.016074 IP 10.85.3.111.49416 > 10.85.3.51.ssh: Flags [.], ack 1, win 197, options [nop,nop,TS val 2630890246 ecr 3035577005], length 0
 7 22:45:10.023482 IP 10.85.3.51.ssh > 10.85.3.111.49416: Flags [P.], seq 1:22, ack 1, win 195, options [nop,nop,TS val 3035577013 ecr 2630890246], length 21
 8 22:45:10.023507 IP 10.85.3.111.49416 > 10.85.3.51.ssh: Flags [.], ack 22, win 197, options [nop,nop,TS val 2630890253 ecr 3035577013], length 0
 9 
10 22:45:15.648562 IP 10.85.3.111.49416 > 10.85.3.51.ssh: Flags [F.], seq 1, ack 22, win 197, options [nop,nop,TS val 2630895878 ecr 3035577013], length 0
11 22:45:15.649128 IP 10.85.3.51.ssh > 10.85.3.111.49416: Flags [.], ack 2, win 195, options [nop,nop,TS val 3035582639 ecr 2630895878], length 0
12 22:45:15.651394 IP 10.85.3.51.ssh > 10.85.3.111.49416: Flags [F.], seq 22, ack 2, win 195, options [nop,nop,TS val 3035582641 ecr 2630895878], length 0
13 22:45:15.651411 IP 10.85.3.111.49416 > 10.85.3.51.ssh: Flags [.], ack 23, win 197, options [nop,nop,TS val 2630895881 ecr 3035582641], length 0

在断开连接的TCP_PAWS_MSL时间内启动10.85.1.2通过NAT连接到server，server端抓包可以看到该连接的SYN报文的时间戳1759176699远小于保存的时间戳3035582641，此时server端丢弃接收到的所有SYN报文，客户端连接超时。

1 22:45:33.942378 IP 10.85.3.51.34264 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 668096838, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 1759176699 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
2 22:45:34.942300 IP 10.85.3.51.34264 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 668096838, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 1759177700 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
3 22:45:36.946320 IP 10.85.3.51.34264 > 10.85.3.111.19090: Flags [S], seq 668096838, win 25200, options [mss 1260,sackOK,TS val 1759179704 ecr 0,nop,wscale 7], length 0

• 结合上述测试可以得出结论：同时启动tcp_timestamps和tcp_tw_recycle可能会导致客户端连接不上前提条件是server主动断开过与客户端的连接(可能是服务重启等原因)，导致server处于TIME_WAIT状态的socket被快速回收，如果在TCP_PAWS_MSL时间内接收到客户端经NAT发过来的报文的时间戳小于前一个连接保存的时间戳，该报文会被认为是老链路残留的报文而丢弃。进而可以得出：

1. 1. 在NAT场景下一定不能启用tcp_tw_recycle；
   2. NAT场景下单独启动tcp_timestamps不会影响正常使用，连接断链后会在2MSL过后回收socket；
   3. 生产中不要使用tcp_tw_recycle，即使没有使用到NAT设备，但当前虚拟化环境下用到NAT的地方很多，如kubernetes的service等

TIPS：

• 为了复现如上问题，曾尝试过使用1.17.0版本的nginx作为NAT服务。但发现经过nginx的所有连接的SYN报文的时间戳都会被nginx修改，且后面连接SYN报文的时间戳一定大于前面连接的SYN报文中的时间戳，因此nginx下面不会出现客户端方式失败的场景

参考：

• NAT网络下TCP连接建立时可能SYN包被服务器忽略-tcp_tw_recycle