TCP连接之RST

什么是RST

TCP正常情况下断开连接是用四次挥手，那是正常时候的优雅做法。

但异常情况下，收发双方都不一定正常，连挥手这件事本身都可能做不到，所以就需要一个机制去强行关闭连接。

RST 就是用于这种情况，一般用来异常地关闭一个连接。它是一个TCP包头中的标志位。

正常情况下，不管是发出，还是收到置了这个标志位的数据包，相应的内存、端口等连接资源都会被释放。从效果上来看就是TCP连接被关闭了。

而接收到 RST的一方，一般会看到一个 connection reset 或  connection refused 的报错。



怎么知道收到了RST了？

内核跟应用层是分开的两层，网络通信功能在内核，我们的客户端或服务端属于应用层。应用层只能通过 send/recv 与内核交互，才能感知到内核是不是收到了RST。

当本端收到远端发来的RST后，内核已经认为此链接已经关闭。

此时如果本端应用层尝试去执行 读数据操作，比如recv，应用层就会收到 Connection reset by peer 的报错，意思是远端已经关闭连接。

如果本端应用层尝试去执行写数据操作，比如send，那么应用层就会收到 Broken pipe 的报错，意思是发送通道已经坏了。

出现RST场景有哪些？

RST一般出现于异常情况，归类为 对端的端口不可用 和 socket提前关闭。

端口不可用

端口不可用分为两种情况。要么是这个端口从来就没有"可用"过，比如根本就没监听（listen）过；要么就是曾经"可用"，但现在"不可用"了，比如服务突然崩了。

端口未监听

服务端listen 方法会创建一个sock放入到全局的哈希表中。

此时客户端发起一个connect请求到服务端。服务端在收到数据包之后，第一时间会根据IP和端口从哈希表里去获取sock。

如果服务端执行过listen，就能从全局哈希表里拿到sock。

但如果服务端没有执行过listen，那哈希表里也就不会有对应的sock，结果当然是拿不到。此时，正常情况下服务端会发RST给客户端。

端口未监听就一定会发RST吗？

不一定。上面提到，发RST的前提是正常情况下，我们看下源码。

// net/ipv4/tcp_ipv4.c  
// 代码经过删减
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
    // 根据ip、端口等信息 获取sock。
    sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, th->source, th->dest);
    if (!sk)
        goto no_tcp_socket;


no_tcp_socket:
    // 检查数据包有没有出错
    if (skb->len < (th->doff << 2) || tcp_checksum_complete(skb)) {
        // 错误记录
    } else {
        // 发送RST
        tcp_v4_send_reset(NULL, skb);
    }
}

内核在收到数据后会从物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，一层一层往上传递。到传输层的时候，根据当前数据包的协议是TCP还是UDP走不一样的函数方法。可以简单认为，TCP数据包都会走到 tcp_v4_rcv()。这个方法会从全局哈希表里获取 sock，如果此时服务端没有listen()过 , 那肯定获取不了sock，会跳转到no_tcp_socket的逻辑。

注意这里会先走一个 tcp_checksum_complete()，目的是看看数据包的校验和(Checksum)是否合法。

如果在发送端到接收端传输过程中，数据发生任何改动，比如被第三方篡改，那么接收方能检测到校验和有差错，此时TCP段会被直接丢弃。如果校验和没问题，那才会发RST。

所以，只有在数据包没问题的情况下，比如校验和没问题，才会发RST包给对端。

程序启动了但是崩了

端口不可用的场景里，除了端口未监听以外，还有可能是从前监听了，但服务端机器上做监听操作的应用程序突然崩了，此时客户端还像往常一样正常发送消息，服务器内核协议栈收到消息后，则会回一个RST。在开发过程中，这种情况是最常见的。

比如你的服务端应用程序里，弄了个空指针，或者数组越界啥的，程序立马就崩了。

这种情况跟端口未监听本质上类似，在服务端的应用程序崩溃后，原来监听的端口资源就被释放了，从效果上来看，类似于处于CLOSED状态。

此时服务端又收到了客户端发来的消息，内核协议栈会根据IP端口，从全局哈希表里查找sock，结果当然是拿不到对应的sock数据，于是走了跟上面"端口未监听"时一样的逻辑，回了个RST。客户端在收到RST后也释放了sock资源，从效果上来看，就是连接断了。

socket提前关闭

这种情况分为本端提前关闭，和远端提前关闭。

本端提前关闭

如果本端socket接收缓冲区还有数据未读，此时提前close() socket。那么本端会先把接收缓冲区的数据清空，然后给远端发一个RST。

远端提前关闭

远端已经close()了socket，此时本端还尝试发数据给远端。那么远端就会回一个RST。

TCP是全双工通信，意思是发送数据的同时，还可以接收数据。

Close()的含义是，此时要同时关闭发送和接收消息的功能。

客户端执行close()， 正常情况下，会发出第一次挥手FIN，然后服务端回第二次挥手ACK。如果在第二次和第三次挥手之间，如果服务方还尝试传数据给客户端，那么客户端不仅不收这个消息，还会发一个RST消息到服务端。直接结束掉这次连接。

TCP是可靠传输，意味着本端发一个数据，远端在收到这个数据后就会回一个ACK，意思是"我收到这个包了"。

而RST，不需要ACK确认包。

因为RST本来就是设计来处理异常情况的，既然都已经在异常情况下了，还指望对方能正常回你一个ACK吗？可以幻想，不要妄想。

RST丢了，问题不大。比方说服务端，发了RST之后，服务端就认为连接不可用了。

如果客户端之前发送了数据，一直没等到这个数据的确认ACK，就会重发，重发的时候，自然就会触发一个新的RST包。

而如果客户端之前没有发数据，但服务端的RST丢了，TCP有个keepalive机制，会定期发送探活包，这种数据包到了服务端，也会重新触发一个RST。

收到RST就一定会断开连接吗？

先说结论，不一定会断开。我们看下源码。

// net/ipv4/tcp_input.c
static bool tcp_validate_incoming()
{
    // 获取sock
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);


    // step 1：先判断seq是否合法（是否在合法接收窗口范围内）
    if (!tcp_sequence(tp, TCP_SKB_CB(skb)->seq, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq)) {
        goto discard;
    }


    // step 2：执行收到 RST 后该干的事情
    if (th->rst) {
        if (TCP_SKB_CB(skb)->seq == tp->rcv_nxt)
            tcp_reset(sk);
        else
            tcp_send_challenge_ack(sk);
        goto discard;
    }
}
收到RST包，第一步会通过tcp_sequence先看下这个seq是否合法，其实主要是看下这个seq是否在合法接收窗口范围内。如果不在范围内，这个RST包就会被丢弃。

黄色的部分，就是指接收窗口，只要RST包的seq不在这个窗口范围内，那就会被丢弃。

为什么要校验是否在窗口范围内

正常情况下客户端服务端双方可以通过RST来断开连接。假设不做seq校验，如果这时候有不怀好意的第三方介入，构造了一个RST包，且在TCP和IP等报头都填上客户端的信息，发到服务端，那么服务端就会断开这个连接。同理也可以伪造服务端的包发给客户端。这就叫RST攻击。

已连接状态下收到第一次握手包会怎么样？

我们需要了解一个问题，比如服务端在已连接（ESTABLISHED）状态下，如果收到客户端发来的第一次握手包（SYN），会怎么样？

以前我以为服务单会认为客户端憨憨了，直接RST连接。

但实际，并不是。

static bool tcp_validate_incoming()
{
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);


    /* 判断seq是否在合法窗口内 */
    if (!tcp_sequence(tp, TCP_SKB_CB(skb)->seq, TCP_SKB_CB(skb)->end_seq)) {
        if (!th->rst) {
            // 收到一个不在合法窗口内的SYN包
            if (th->syn)
                goto syn_challenge;
        }
    }


    /* 
     * RFC 5691 4.2 : 发送 challenge ack
     */
    if (th->syn) {
syn_challenge:
        tcp_send_challenge_ack(sk);
    }
}
当客户端发出一个不在合法窗口内的SYN包的时候，服务端会发一个带有正确的seq数据ACK包出来，这个ACK包叫 challenge ack。
利用challenge ack获取seq

上面提到的这个challenge ack ，仿佛为盲猜seq的老哥们打开了一个新世界。

在获得这个challenge ack后，攻击程序就可以以ack值为基础，在一定范围内设置seq，这样造成RST攻击的几率就大大增加了。

总结

RST其实是TCP包头里的一个标志位，目的是为了在异常情况下关闭连接。

内核收到RST后，应用层只能通过调用读/写操作来感知，此时会对应获得 Connection reset by peer 和Broken pipe 报错。

发出RST后不需要得到对方的ACK确认包，因此RST丢失后对方不能立刻感知，但是通过下一次重传数据或keepalive心跳包可以导致RST重传。

收到RST包，不一定会断开连接，seq不在合法窗口范围内的数据包会被默默丢弃。通过构造合法窗口范围内seq，可以造成RST攻击。