tcp_tw_recycle引起的TCP握手失败

测试环境的一台Nginx服务器，最近一直被前端同事吐槽网络有问题，经常出现访问HTTP请求时超时，哪怕是静态文件也经常超时。

刚开始以为是公司网络抽风了，也就没放在心上，但持续了一个星期，而且复现率很高，这才反应过来应该不是网络的锅。于是在请求客户端与Nginx服务器上均作了抓包。

本地客户端抓包结果如下图1，请求Nginx服务器TCP握手时超时。结果似乎很明朗，客户端TCP握手的SYN请求丢包导致多次重试，直到重试超时而TCP握手失败。看上去似乎就是网络问题，但这复现率也太高了，于是在服务器上也做了一次抓包。

图2为Nginx服务器抓包图，显示服务器接收到了TCP握手请求，但是未做应答，直到客户端重试超时结束。很明显，并不是网络丢包而导致的TCP握手失败，而是某种机制导致的服务器直接抛弃了客户端的请求报文。

准备两个Client机器(192.168.50.150、192.168.50.160)以及一个Server机器(118.24.117.115)，并且两个Client机器均处于同一个NAT网关下(116.239.x.x)。

启用两个Client机器TIME-WAIT连接快速回收，编辑文件/etc/sysctl.conf，添加或修改以下参数：

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

然后执行命令使sysctl.conf的参数生效：

[root@VM_0_10_centos ~]# /sbin/sysctl -p
[root@VM_0_10_centos ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle 
1

1. Client1机器请求Server，Client1抓包和Server抓包如下两张图，TCP握手成功：

1. Client2机器请求Server，Client2抓包和Server抓包如下两张图，TCP握手成功：

1. Client1机器再次请求Server，Client1抓包和Server抓包如下两张图，TCP握手失败，复现成功：

通过netstat -s命令查看网络统计时，可以发现每次复现出TCP握手失败后，如下的一行统计值都会对应增长。

[root@VM_0_10_centos ~]# netstat -s | grep timestamp
    2143 packets rejects in established connections because of timestamp

PAWS机制

Per-host PAWS机制

PAWS uses the same TCP Timestamps option as the RTTM mechanism described earlier, and assumes that every received TCP segment (including data and ACK segments) contains a timestamp SEG.TSval whose values are monotone non-decreasing in time. The basic idea is that a segment can be discarded as an old duplicate if it is received with a timestamp SEG.TSval less than some timestamp recently received on this connection.

PAWS机制是基于客户端IP而非客户端IP+端口号的，当服务端开启了net.ipv4.tcp_tw_recycle后，服务端会对SYN报文做时间戳检查。每当快速回收TIME_WAIT连接后，会在60秒缓存该客户端IP的TSval时间戳。在这60秒内如果同一个IP再发起SYN请求时，会校验新请求的TSval是否大于缓存的TSval，保证同一个请求方IP的TSval时间戳是递增的。而对于非递增的SYN请求则直接丢弃处理。

TSval并非真正的时间戳，而是由时间戳依据一定算法算出来的一个值，与时间戳有同等的特性，即随时间单调递增；

如上复现操作时的图，由于Client1和Client2处于同一个NAT网关下，对于Server来说，Client1和Client2的IP相同均为NAT网关的IP。

1. 当Client1请求Server时，IP(116.239.x.x)的时间戳值TSval为1853021;
2. 当Client2请求Server时，IP(116.239.x.x)的时间戳值TSval为1927141;
3. 当Client1再次请求Server时，IP(116.239.x.x)的时间戳值TSval为1864558;

当步骤3请求时，对于Server来说，IP(116.239.x.x)的TSval时间戳小于上次请求的时间戳，因此该SYN请求直接被丢弃了，导致TCP握手失败。

Linux内核的实现

Linux内核源码中，对于PAWS机制的实现很简单，如果客户端的TCP报文中启用了timestamp option，且服务端启用了net.ipv4.tcp_tw_recycle，则会触发PAWS机制检查。

tcp_ipv4.c

int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
...

/* VJ's idea. We save last timestamp seen
     * from the destination in peer table, when entering
     * state TIME-WAIT, and check against it before
     * accepting new connection request.
     *
     * If "isn" is not zero, this request hit alive
     * timewait bucket, so that all the necessary checks
     * are made in the function processing timewait state.
     */
    if (tmp_opt.saw_tstamp &&   // TCP报文中启用了timestamp option
        tcp_death_row.sysctl_tw_recycle &&  // 开启了net.ipv4.tcp_tw_recycle
        (dst = inet_csk_route_req(sk, &fl4, req)) != NULL &&
        fl4.daddr == saddr) {   // 仅判断源IP相同,不区分端口号
    	if (!tcp_peer_is_proven(req, dst, true)) {
    		NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_PAWSPASSIVEREJECTED);
    		goto drop_and_release;
    	}
    }

...
}

tcp_metrics.c

bool tcp_peer_is_proven(struct request_sock *req, struct dst_entry *dst, bool paws_check)
{
	struct tcp_metrics_block *tm;
	bool ret;

if (!dst)
		return false;

rcu_read_lock();
	tm = __tcp_get_metrics_req(req, dst);
	if (paws_check) {
		if (tm &&
		    // peer 信息保存的时间离现在在60秒(TCP_PAWS_MSL)之内
		    (u32)get_seconds() - tm->tcpm_ts_stamp < TCP_PAWS_MSL &&
		    // peer 信息中保存的timestamp 比当前收到的SYN报文中的timestamp大1(TCP_PAWS_WINDOW)
		    (s32)(tm->tcpm_ts - req->ts_recent) > TCP_PAWS_WINDOW)
			ret = false;
		else
			ret = true;
	} else {
		if (tm && tcp_metric_get(tm, TCP_METRIC_RTT) && tm->tcpm_ts_stamp)
			ret = true;
		else
			ret = false;
	}
	rcu_read_unlock();

return ret;
}

关闭TCP的TIME_WAIT快速回收功能即可：编辑文件/etc/sysctl.conf，添加或修改以下参数：

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 0

然后执行命令使sysctl.conf的参数生效：

[root@VM_0_10_centos ~]# /sbin/sysctl -p
[root@VM_0_10_centos ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle 
0

查看Linux内核源码后发现，触发PAWS机制检查的前提条件之一是客户端的TCP请求携带了timestamp option，如下图1。但是当使用Windows操作系统时，客户端默认关闭了timestamp option，通过抓包也显示TCP请求中未携带timestamp option，却依然触发了PAWS机制，如下图2。