一张图感受真实的 TCP 状态转移

各位读者无论是作为候选人还是面试官，想必对 “TCP 三步握手，四步挥手” 都烂熟于心了。
但是百闻不如一见，今天我们就来 在真实环境中把这个过程可视化，实地看一看，TCP的状态到底是如何转化的。

TL;DR

本文生成的结果如图：

每一段代表一个状态，起始点是相对时间戳和状态名字。

环境

我们用一个 nginx 作为 server（server_ip:server_port），同时用 curl 作为 client，就有了一个简单的真实环境。

那么怎么观测TCP状态转移呢？

inet_sock_set_state

内核为我们提供了一个 tracepoint: inet_sock_set_state。这个 tracepoint 会在 TCP 状态发生变化的时候被调用，于是我们就有了 TCP 状态转移的观测点，这也是《用eBPF/XDP来替代LVS》系列中使用的技巧。
用 ebpf/libbpf 写下来大概是这样：

SEC("tp_btf/inet_sock_set_state")
int BPF_PROG(trace_inet_sock_set_state, struct sock *sk, 
        int oldstate, int newstate){
    const int type = BPF_CORE_READ(sk,sk_type);
    if(type != SOCK_STREAM){//1
        return 0;
    }
    const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(sk,__sk_common);
    const struct inet_sock *inet = (struct inet_sock *)(sk);
    return track_state((long long)sk,&skc,inet,oldstate,newstate);
}

我们监听到状态转移事件后就可以从中提取这个连接的 4元组

static int track_state(long long skaddr,const struct sock_common *skc,
        const struct inet_sock *inet,
        int oldstate, int newstate){
    __u32 dip = (BPF_CORE_READ(skc,skc_daddr));  
    __u16 dport = (BPF_CORE_READ(skc,skc_dport)); 
    __u32 sip = (BPF_CORE_READ(inet,inet_saddr));
    __u16 sport = (BPF_CORE_READ(inet,inet_sport));
    return judge_side(skaddr,dip, dport, sip, sport,oldstate,newstate);
}

然后依据4元组判断是哪个side

static int judge_side(long long skaddr,__u32 dip,__u16 dport,__u32 sip, __u16 sport,
    int oldstate, int newstate){
    enum run_mode m = ENUM_unknown;
    // server might bind to INADDR_ANY rather than just server_ip
    if((sip == server_ip || sip == INADDR_ANY) && sport == server_port){   
        m = ENUM_server;    
        fire_sock_release_event(m,oldstate,newstate);
    }
    else if(dip == server_ip && dport == server_port){    
        m = ENUM_client;   
        fire_sock_release_event(m,oldstate,newstate);
    }
    return 0;
}

判断完毕后，将事件发送到用户空间

static void fire_sock_release_event(enum run_mode mode, int oldstate, int newstate){
    struct event *e ;
    e = bpf_ringbuf_reserve(&rb, sizeof(*e), 0);
    if (!e){
        return;
    }
    e->mode = mode;
    e->oldstate = oldstate;
    e->newstate = newstate;
    e->ts = bpf_ktime_get_ns();
    bpf_ringbuf_submit(e, 0);
}

用户空间打印出来即可

static int handle_event(void *ctx, void *data, size_t data_sz){
    const struct event *e = data;
    fprintf(stderr, "ts:%llu:%s:%s:%s\n",
        e->ts,mode2str(e->mode),state2str(e->oldstate),state2str(e->newstate));
    return 0;
}

加载程序后，发起请求：curl 172.19.0.2:80。结果：

ts:2220445792791:client:CLOSE:SYN_SENT
ts:2220446761789:client:SYN_SENT:ESTABLISHED
ts:2220447626787:server:LISTEN:SYN_RECV
ts:2220448026786:server:SYN_RECV:ESTABLISHED
ts:2220454118771:client:ESTABLISHED:FIN_WAIT1
ts:2220455075769:server:ESTABLISHED:CLOSE_WAIT
ts:2220455593768:server:CLOSE_WAIT:LAST_ACK
ts:2220456264766:client:FIN_WAIT1:FIN_WAIT2
ts:2220456525766:client:FIN_WAIT2:TIME_WAIT
ts:2220456623765:client:FIN_WAIT2:CLOSE
ts:2220456768765:server:LAST_ACK:CLOSE

乍一看似乎没毛病，但是仔细看看，client 中断了连接，不是应该有 TIME_WAIT 这个状态吗？怎么直接就CLOSE了？
且看下文分析。

inet_timewait_sock

在内核源代码中搜索一下相关文件会发现，一个连接有多个 struct 来表示。对于 sock 来说，确实 FIN_WAIT2 后就 CLOSE 了，然后把 time_wait 委托给 inet_timewait_sock 这个 struct 来管理了。具体过程可以查看 tcp_time_wait 这个函数。
查看这个文件 inet_timewait_sock.h 我们大概就能找到一个连接进入和离开 time_wait 状态需要调用的函数了。

进入我们采用fexit，可以获得生成的 inet_timewait_sock 的结构体，便于和离开时作对比：

SEC("fexit/inet_twsk_alloc")
int BPF_PROG(inet_twsk_alloc,const struct sock *sk,struct inet_timewait_death_row *dr,
                       const int state,struct inet_timewait_sock *tw) {
    const int type = BPF_CORE_READ(sk,sk_type);
    if(type != SOCK_STREAM){//1
        return 0;
    }
    const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(sk,__sk_common);
    const struct inet_sock *inet = (struct inet_sock *)(sk);
    const char oldstate = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_state));
    bpf_printk("tw_aloc,skaddr:%u,skcaddr:%u,twaddr:%u,oldstate:%s,newstate:%s",
        sk,&skc,tw,state2str(oldstate),state2str(state));
    track_state((long long)sk,&skc,inet,oldstate,state);
    return 0;
}

离开采用传统的kprobe即可

SEC("kprobe/inet_twsk_put")
int BPF_KPROBE(kprobe_inet_put,struct inet_timewait_sock *tw) {
    const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(tw,__tw_common);
    const int family = BPF_CORE_READ(&skc,skc_family);
    if(family != AF_INET){
        return 0;
    }
    // 省略 tw 对比代码
    __u32 dip = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_daddr));  
    __u16 dport = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_dport)); 
    __u32 sip = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_rcv_saddr));
    __u16 sport = bpf_htons(BPF_CORE_READ(&skc,skc_num));
    return judge_side((long long)tw,dip, dport, sip, sport,oldstate,TCP_CLOSE);
}

现在齐活了：

ts:2220445792791:client:CLOSE:SYN_SENT
ts:2220446761789:client:SYN_SENT:ESTABLISHED
ts:2220447626787:server:LISTEN:SYN_RECV
ts:2220448026786:server:SYN_RECV:ESTABLISHED
ts:2220454118771:client:ESTABLISHED:FIN_WAIT1
ts:2220455075769:server:ESTABLISHED:CLOSE_WAIT
ts:2220455593768:server:CLOSE_WAIT:LAST_ACK
ts:2220456264766:client:FIN_WAIT1:FIN_WAIT2
ts:2220456525766:client:FIN_WAIT2:TIME_WAIT
ts:2220456623765:client:FIN_WAIT2:CLOSE
ts:2220456768765:server:LAST_ACK:CLOSE
ts:2282464966825:client:TIME_WAIT:CLOSE

2220456623765 这一条记录我们忽略即可。

可视化

数据有了，用 Python 画一下比较简单，最后可以得到这个图：

核心代码如：

plt.text(start, 1.20, f'Server State Changes',fontsize=15)
plt.plot(sx[:2], sy[:2], colors[0] + '-')   
idx = timestamps.index(sx[1])
msg = old_states[idx]
plt.text(start, sy[0] + 0.01, f'({start}:{msg})',fontsize=fontsize)
plt.plot(start, sy[0], colors[0] + 's', alpha=0.5,markersize = markersize) 
for i in range(1, len(sx)-1):
    upward = (i/25) 
    plt.plot(sx[i:i+2], [sy[i]+upward,sy[i+1]+upward], colors[i] + '-')  
    idx = timestamps.index(sx[i])
    msg = new_states[idx]
    plt.text(sx[i], sy[i]+upward+0.01, f'({sx[i]}:{msg})',fontsize=fontsize)
    plt.plot(sx[i], sy[i]+upward, colors[i] + 's', alpha=0.5,markersize = markersize) 

plt.show()

注：time_wait 状态占用时间非常长，影响展示，这里微调了一下。

TCP_NEW_SYN_RECV

细心的读者可能注意到，上面的时序似乎有点问题：

ts:2220445792791:client:CLOSE:SYN_SENT
ts:2220446761789:client:SYN_SENT:ESTABLISHED
ts:2220447626787:server:LISTEN:SYN_RECV
ts:2220448026786:server:SYN_RECV:ESTABLISHED
ts:2220454118771:client:ESTABLISHED:FIN_WAIT1
ts:2220455075769:server:ESTABLISHED:CLOSE_WAIT
ts:2220455593768:server:CLOSE_WAIT:LAST_ACK
ts:2220456264766:client:FIN_WAIT1:FIN_WAIT2
ts:2220456525766:client:FIN_WAIT2:TIME_WAIT
ts:2220456623765:client:FIN_WAIT2:CLOSE
ts:2220456768765:server:LAST_ACK:CLOSE
ts:2282464966825:client:TIME_WAIT:CLOSE

为什么 client 的 ESTABLISHED 在 server 的 SYN_RECV 前面？

事实上，我的测试内核版本是 6.1.11，它包含了这个commit [https://github.com/torvalds/linux/commit/10feb428a5045d5eb18a5d755fbb8f0cc9645626], 及其系列 [https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linu...]。
所以测试内核中 TCP_SYN_RECV 已经不是原始 TCP 协议中 server 收到第一个 syn 包的状态了，取而代之的是 TCP_NEW_SYN_RECV，TCP_SYN_RECV 本身主要被用于支持 fastopen 特性了。

既然这样，我们怎么还原协议中的状态呢？经过一番检索，发现了这个方法：inet_reqsk_alloc，该方法是内核收到第一个 syn 包后，为连接分配 struct request_sock 这个轻量级数据结构表征的地方，于是我们可以进行追踪：

SEC("fexit/inet_reqsk_alloc")
int BPF_PROG(inet_reqsk_alloc,const struct request_sock_ops *ops,
                      struct sock *sk_listener,
                      bool attach_listener,struct request_sock *req ) {
    __u64 ts = bpf_ktime_get_boot_ns();
    const struct sock_common skc1 = BPF_CORE_READ(sk_listener,__sk_common);
    const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(req,__req_common);
    const int family = BPF_CORE_READ(&skc,skc_family);
    if(family != AF_INET){
        return 0;
    }
    const char oldstate = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_state));
    const char newstate = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_state));

    __u32 dip = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_daddr));  
    __u16 dport = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_dport)); 
    __u32 sip = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_rcv_saddr));
    __u16 sport = bpf_htons(BPF_CORE_READ(&skc1,skc_num));
    return judge_side(ctx,ts,(long long)req,dip, dport, sip, sport,oldstate,newstate);
}

后面三步握手完成，为连接建立 struct sock 重量级数据结构表征的地方：tcp_v4_syn_recv_sock->tcp_create_openreq_child->inet_csk_clone_lock。
通过这个方法，我们可以将 inet_reqsk_alloc 中的状态转移和前文的 sock 关联起来：

SEC("fexit/inet_csk_clone_lock")
int BPF_PROG(inet_csk_clone_lock,const struct sock *sk,
                 const struct request_sock *req,
                 const gfp_t priority,struct sock * newsk) {
    bpf_printk("csk_clone,lskaddr:%u,reqaddr:%u,skaddr:%u",
        sk,req,newsk);
    return 0;
}

这样就完整了。可以得到下图，是不是就符合我们预期了：

注：内核中不支持修改 timewait 时间，图中将其缩小才方便展示，其余状态如实展示。

后记

我们在本文再次感受到了 ebpf 的强大，以前只能手工画图帮助我们理解 tcp 状态转移，现在可以依靠丰富的技术手段把这个过程自动化，而且是真实场景，给到你非常直观的感受。

一张图感受真实的 TCP 状态转移

TL;DR

环境

inet_sock_set_state

inet_timewait_sock

可视化

TCP_NEW_SYN_RECV

后记

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