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Linux内核中TCP SACK处理流程分析

分类： LINUX

2016-02-17 11:27:20

原文地址：Linux内核中TCP SACK处理流程分析 作者：frankzfz

SACK 介绍：

SACK：Selective Acknowledgment (SACK)（参看），这种方式需要在TCP头里加一个SACK的东西，ACK还是Fast Retransmit的ACK，SACK则是汇报收到的数据碎版。参看下图：

        即使包 2（假设从 0 到 9 的序列）是在传送过程中惟一丢失的包，接收方也只能对包 1 发出一个普通的 ACK，因为这是连续接收到的包中的最后一个。另一方面，SACK 接收方可以发出包 1 的 ACK 和包 3 到包 9 的 SACK 选项。这种附加信息可以帮助发送方确定丢失的包最少，只需重新传送很少的数据。如果没有这种附加信息，它需要重新传送大量的数据，这样会降低传送速率，从而适应高丢包率的网络。

在高延迟的连接中，SACK 对于有效利用所有可用带宽尤其重要。高延迟会导致在任何给定时刻都有大量正在传送的包在等待应答。在 Linux 中，除非得到应答或不再需要，这些包将一直存放在重传队列中。这些包按照序列编号排队，但不存在任何形式的索引。当需要处理一个收到的 SACK 选项时，TCP 协议栈必须在重传队列中找到应用了 SACK 的包。重传队列越长，找到所需的数据就越困难。

每个包中的最多包含 4 个 SACK 选项。

SACK会消耗发送方的资源，假设，如果一个攻击者给数据发送方发一堆SACK的选项，这会导致发送方开始要重传甚至遍历已经发出的数据，这会消耗很多发送端的资源。

在正常的网络传输中，在TCP报文的选项中没有SACK，当发送方和接收方都支持SACK选项时，当在传输过程中有数据包丢失，重传发送时，就可以在TCP报文选项中包含SACK选项，用于表明我接收到的数据包，用来提示发送端，接收端没有接收到的数据包。

（1）  tcp_sack参数，

该参数标识是否启用选择性确认SACKS选项。默认值为1（true）。TCP SACK（Selective Acknowledgment）

这个可以在/proc/sys/net/ipv4#目录下的tcp_sack文件中查看参数

cat tcp_sack

1

可见Linux内核是默认打开该选项信息的。使用的Linux内核版本为: uname -a

Linux 2.6.32-21-generic-pae #32-Ubuntu SMP Fri Apr 16 09:39:35 UTC 2010 i686 GNU/Linux

SACK可以用来查找特定丢失的段，因此有助于快速恢复状态，同时，启用SACK，接收方可以用选择地应答乱序接收到的段，可帮助发送方确定丢失的段，进而发送方只需要发送丢失的段，以提高性能。对于广域网通信来说应该启用该选项，但是这会增加CPU负荷。

这篇文章主要是分析内核中对该选项信息的处理。该选项信息的宏定义在nf_conntrack_tcp.h文件中：

/* SACK is permitted by the sender */

#define IP_CT_TCP_FLAG_SACK_PERM       0x02

    在建立tcp的会话时，会设置该值，在tcp_new函数中。

         在tcp_new()函数中有下面的赋值：


  1. static bool tcp_new(struct nf_conn *ct, const struct sk_buff *skb,
  2.          unsigned int dataoff)
  3. {
  4.     enum tcp_conntrack new_state;
  5.     const struct tcphdr *th;
  6.     struct tcphdr _tcph;
  7.     const struct ip_ct_tcp_state *sender = &ct->proto.tcp.seen[0];
  8.     const struct ip_ct_tcp_state *receiver = &ct->proto.tcp.seen[1];
  9. th = skb_header_pointer(skb, dataoff, sizeof(_tcph), &_tcph);
  10.     BUG_ON(th == NULL);
  11. /* Don't need lock here: this conntrack not in circulation yet */
  12.     new_state
  13.         = tcp_conntracks[0][get_conntrack_index(th)]
  14.         [TCP_CONNTRACK_NONE];

  16.     /* Invalid: delete conntrack */
  17.     if (new_state >= TCP_CONNTRACK_MAX) {
  18.         pr_debug("nf_ct_tcp: invalid new deleting.\n");
  19.         return false;
  20.     }
  21. if (new_state == TCP_CONNTRACK_SYN_SENT) {
  22.         /* SYN packet */
  23.         ct->proto.tcp.seen[0].td_end =
  24.             segment_seq_plus_len(ntohl(th->seq), skb->len,
  25.                      dataoff, th);
  26.         ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin = ntohs(th->window);
  27.         if (ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin == 0)
  28.             ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin = 1;
  29.         ct->proto.tcp.seen[0].td_maxend =
  30.             ct->proto.tcp.seen[0].td_end;

  32.         tcp_options(skb, dataoff, th, &ct->proto.tcp.seen[0]);
  33.         ct->proto.tcp.seen[1].flags = 0;
  34.     } else if (nf_ct_tcp_loose == 0) {
  35.         /* Don't try to pick up connections. */
  36.         return false;
  37.     } else {
  38.         /*
  39.          * We are in the middle of a connection,
  40.          * its history is lost for us.
  41.          * Let's try to use the data from the packet.
  42.          */
  43.         ct->proto.tcp.seen[0].td_end =
  44.             segment_seq_plus_len(ntohl(th->seq), skb->len,
  45.                      dataoff, th);
  46.         ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin = ntohs(th->window);
  47.         if (ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin == 0)
  48.             ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin = 1;
  49.         ct->proto.tcp.seen[0].td_maxend =
  50.             ct->proto.tcp.seen[0].td_end +
  51.             ct->proto.tcp.seen[0].td_maxwin;
  52.         ct->proto.tcp.seen[0].td_scale = 0;

  54.         /* We assume SACK and liberal window checking to handle
  55.          * window scaling */
  56.         ct->proto.tcp.seen[0].flags =
  57.         ct->proto.tcp.seen[1].flags = IP_CT_TCP_FLAG_SACK_PERM |
  58.                      IP_CT_TCP_FLAG_BE_LIBERAL;
  59.     }
  60. 在tcp_in_window函数中有下面的配置
  61. static bool tcp_in_window(const struct nf_conn *ct,
  62.              struct ip_ct_tcp *state,
  63.              enum ip_conntrack_dir dir,
  64.              unsigned int index,
  65.              const struct sk_buff *skb,
  66.              unsigned int dataoff,
  67.              const struct tcphdr *tcph,
  68.              u_int8_t pf)
  69. {
  70.     struct net *net = nf_ct_net(ct);
  71.     struct ip_ct_tcp_state *sender = &state->seen[dir];
  72.     struct ip_ct_tcp_state *receiver = &state->seen[!dir];
  73.     const struct nf_conntrack_tuple *tuple = &ct->tuplehash[dir].tuple;
  74.     __u32 seq, ack, sack, end, win, swin;
  75.     s16 receiver_offset;
  76.     bool res;

  78.     /*
  79.      * Get the required data from the packet.
  80.      */
  81.     seq = ntohl(tcph->seq);
  82.     ack = sack = ntohl(tcph->ack_seq);
  83.     win = ntohs(tcph->window);
  84.     end = segment_seq_plus_len(seq, skb->len, dataoff, tcph);

  86.     if (receiver->flags & IP_CT_TCP_FLAG_SACK_PERM)//根据是否设置了该标志位进行相应的处理
  87.         tcp_sack(skb, dataoff, tcph, &sack);
  88. ……………..
  89. }

下面RFC2018中关于TCP  SACK Option的结构描述。


下面是通过Wireshark抓包工具，抓取到的含有TCP SACK的报文格式。



通过上面的报文格式可以看到，其表现形式符合RFC描述的结构。我们看到上面的报文中含有NOP，该选项表示的是填充值，为了32bit对齐 。

       我们看一下Linux内核怎么处理有该选项的数据包的，下面是Linux2.6.32内核版中处理SACK的函数tcp_sack.

点击(此处)折叠或打开

  1. static void tcp_sack(const struct sk_buff *skb, unsigned int dataoff,
  2.                      const struct tcphdr *tcph, __u32 *sack)
  3. {
  4.     unsigned char buff[(15 * 4) - sizeof(struct tcphdr)];
  5.     const unsigned char *ptr;
  6.     int length = (tcph->doff*4) - sizeof(struct tcphdr);
  7.     __u32 tmp;

  9.     if (!length)
  10.         return;

  12.     ptr = skb_header_pointer(skb, dataoff + sizeof(struct tcphdr),
  13.                  length, buff);
  14.     BUG_ON(ptr == NULL);

  16.     /* Fast path for timestamp-only option */
  17.     if (length == TCPOLEN_TSTAMP_ALIGNED*4
  18.      && *(__be32 *)ptr == htonl((TCPOPT_NOP << 24)
  19.                  | (TCPOPT_NOP << 16)
  20.                  | (TCPOPT_TIMESTAMP << 8)
  21.                  | TCPOLEN_TIMESTAMP))
  22.         return;

  24.     while (length > 0) {
  25.         int opcode = *ptr++;//获取选项码，
  26.         int opsize, i;

  28.         switch (opcode) {
  29.         case TCPOPT_EOL:
  30.             return;
  31.         case TCPOPT_NOP:    /* Ref: RFC 793 section 3.1 */
  32.             length--;
  33.             continue;
  34.         default:
  35.             opsize = *ptr++;
  36.   //下面的代码主要判断选项长度的合法性
  37.             if (opsize < 2) /* "silly options" */
  38.                 return;
  39.             if (opsize > length)
  40.                 break;    /* don't parse partial options */
  41.        /*下面的代码主要判断，如果选项的code为TCPOPT_SACK表示含有SACK选项信息，并且包含的选项大小大于10，因为 Left Edge of Block 和TCPOLEN_SACK_PERBLOCK各占4个字节+长度1个字节+Code 一个字节，选项中可能含有多个 edge of block,通过for循环确定第一个SACK块。
  42. #define TCPOLEN_SACK_BASE        2
  43. #define TCPOLEN_SACK_PERBLOCK        8
  44. */
  45.             if (opcode == TCPOPT_SACK
  46.              && opsize >= (TCPOLEN_SACK_BASE
  47.                      + TCPOLEN_SACK_PERBLOCK)
  48.              && !((opsize - TCPOLEN_SACK_BASE)
  49.                  % TCPOLEN_SACK_PERBLOCK)) {
  50.                 for (i = 0;
  51.                  i < (opsize - TCPOLEN_SACK_BASE);
  52.                  i += TCPOLEN_SACK_PERBLOCK) {
  53.                     tmp = get_unaligned_be32((__be32 *)(ptr+i)+1);

  55.                     if (after(tmp, *sack))//确认Left小于right，sack指向第一个SACK块
  56.                         *sack = tmp;
  57.                 }
  58.                 return;
  59.             }
  60.             ptr += opsize - 2;
  61.             length -= opsize;
  62.         }
  63.     }
  64. }


我们看到如果系统支持SACK的选项，会在报文中捎带Permitted Option 选项，在Linux内核中该选项信息定义为宏

#define TCPOPT_SACK_PERM        4       /* SACK Permitted */

 D-SACK


       RFC2883中对SACK进行了扩展，在SACK中描述的是收到的数据段，这些数据段可以是正常的，也可能是重复发送的，SACK字段具有描述重复发送的数据段的能力，在第一块SACK数据中描述重复接收的不连续数据块的序列号参数，其他SACK数据则描述其他正常接收到的不连续数据，因此第一块SACK描述的序列号会比后面的SACK描述的序列号大；而在接收到不完整的数据段的情况下，SACK范围甚至可能小于当前的ACK值。通过这种方法，发送方可以更仔细判断出当前网络的传输情况，可以发现数据段被网络复制、错误重传、ACK丢失引起的重传、重传超时等异常的网络状况。

       SeqNum和Ack是以字节数为单位，所以ack的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包。

Duplicate SACK – 重复收到数据的问题

Duplicate SACK又称D-SACK，其主要使用了SACK来告诉发送方有哪些数据被重复接收了。RFC-2833 里有详细描述和示例。下面举几个例子（来源于RFC-2833）

 D-SACK使用了SACK的第一个段来做标志，


 如果SACK的第一个段的范围被ACK所覆盖，那么就是D-SACK


如果SACK的第一个段的范围被SACK的第二个段覆盖，那么就是D-SACK

示例一：ACK丢包

         下面的示例中，丢了两个ACK，所以，发送端重传了第一个数据包（3000-3499），于是接收端发现重复收到，于是回了一个SACK=3000-3500，因为ACK都到了4000意味着收到了4000之前的所有数据，所以这个SACK就是D-SACK——旨在告诉发送端我收到了重复的数据，而且我们的发送端还知道，数据包没有丢，丢的是ACK包。


  Transmitted  Received    ACK Sent


Segment      Segment     (Including SACK Blocks)

 3000-3499    3000-3499   3500 (ACK dropped)


3500-3999    3500-3999   4000 (ACK dropped)

3000-3499    3000-3499   4000, SACK=3000-3500

                                    ---------

 示例二，网络延误

 下面的示例中，网络包（1000-1499）被网络给延误了，导致发送方没有收到ACK，而后面到达的三个包触发了“Fast Retransmit算法”，所以重传，但重传时，被延误的包又到了，所以，回了一个SACK=1000-1500，因为ACK已到了3000，所以，这个SACK是D-SACK——标识收到了重复的包。


       这个案例下，发送端知道之前因为“Fast Retransmit算法”触发的重传不是因为发出去的包丢了，也不是因为回应的ACK包丢了，而是因为网络延时了。


  Transmitted    Received    ACK Sent


Segment        Segment     (Including SACK Blocks)

 

500-999        500-999     1000

1000-1499      (delayed)

1500-1999      1500-1999   1000, SACK=1500-2000

2000-2499      2000-2499   1000, SACK=1500-2500

2500-2999      2500-2999   1000, SACK=1500-3000

1000-1499      1000-1499   3000

               1000-1499   3000, SACK=1000-1500

                                      ---------

可见，引入了D-SACK，有这么几个好处：

1）可以让发送方知道，是发出去的包丢了，还是回来的ACK包丢了。

2）是不是自己的timeout太小了，导致重传。

 3）网络上出现了先发的包后到的情况（又称reordering）

 4）网络上是不是把我的数据包给复制了。

PS:下面通过wireshark抓包工具看看SACK的选项中的block。

   PACK#26


PACK#27


PACK#28



    PACK#29

                                                                            PACK#30

PACK#31
    通过上面的几张图可以看出，PACK#26、 PACK#27、 PACK#28、 PACK#29、表示为正常的数据段， PACK#31表示是一个DUP-ACK，在该选项信息中包含有可能丢失的段，PACK#30表明传输的数据端和客户端需要的数据段不一致，通过下面的图可以确定：left_edge 和right_edge分别表示的含义。

参考文献：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-tcp-sack/
http://packetlife.net/blog/2010/jun/17/tcp-selective-acknowledgments-sack/
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