TCP实战二(半连接队列、全连接队列)

TCP实验一我们利用了tcpdump以及Wireshark对TCP三次握手、四次挥手、流量控制做了深入的分析，今天就让我们一同深入理解TCP三次握手中两个重要的结构：半连接队列、全连接队列。

参考文献：https://zhuanlan.zhihu.com/p/144785626

1.TCP半连接队列与全连接队列概念

2.TCP全连接队列溢出

如何查看全连接队列大小？
如何模拟全连接队列溢出的场景？
全连接队列溢出会发生什么？
如何增大全连接队列呢？

3.TCP半连接队列溢出

如何查看半连接队列大小？
如何模拟半连接队列溢出场景？
网上都说tcp_max_syn_backlog是指定半连接队列的大小，是真的吗？
源码分析半连接队列的最大值是如何决定的
如果SYN半连接队列已经满了，只能丢弃连接吗？
如何防御SYN攻击？

1.TCP半连接队列与全连接队列概念

在 TCP 三次握手的时候，Linux 内核会维护两个队列，分别是：

半连接队列，也称 SYN 队列；
全连接队列，也称 accepet 队列；

服务端收到客户端发起的 SYN 请求后，内核会把该连接存储到半连接队列，并向客户端响应 SYN+ACK，接着客户端会返回 ACK，服务端收到第三次握手的 ACK 后，内核会把连接从半连接队列移除，然后创建新的完全的连接，并将其添加到 accept 队列，等待进程调用 accept 函数时把连接取出来。

不管是半连接队列还是全连接队列，都有最大长度限制，超过限制时，内核会直接丢弃，或返回 RST 包。

2.TCP全连接队列溢出

(1) 如何查看全连接队列大小？

在服务端可以使用 ss 命令，来查看 TCP 全连接队列的情况：

ss是Socket Statistics的缩写。顾名思义，ss命令可以用来获取socket统计信息，它可以显示和netstat类似的内容。但ss的优势在于它能够显示更多更详细的有关TCP和连接状态的信息，而且比netstat更快速更高效。

netstat命令用来打印Linux中网络系统的状态信息，可让你得知整个Linux系统的网络情况。

但需要注意的是 ss 命令获取的 Recv-Q/Send-Q 在「LISTEN 状态」和「非 LISTEN 状态」所表达的含义是不同的。从下面的内核代码可以看出区别：

在「LISTEN 状态」时，利用 ss -lnt 命令，Recv-Q/Send-Q 表示的含义如下：

-l：--listening 显示监听状态的套接字（sockets）
-n：--numeric 不解析服务名称
-t：--tcp 仅显示 TCP套接字（sockets）

Recv-Q：当前全连接队列的大小，也就是当前已完成三次握手并等待服务端 accept() 的 TCP 连接；
Send-Q：当前全连接最大队列长度，上面的输出结果说明监听 8088 端口的 TCP 服务，最大全连接长度为 128；

在「非 LISTEN 状态」时，利用 ss -nt 命令Recv-Q/Send-Q 表示的含义如下：

Recv-Q：已收到但未被应用进程读取的字节数；
Send-Q：已发送但未收到确认的字节数；

(2) 如何模拟全连接队列溢出的场景？

实验环境：

客户端和服务端都是 CentOs 6.5 (Linux 内核版本 2.6.32)
服务端 IP 192.168.127.150，客户端 IP 192.168.127.151
服务端是 Nginx 服务，端口为 8088
客户端利用wrk工具

wrk 工具，它是一款简单的 HTTP 压测工具，它能够在单机多核 CPU 的条件下，使用系统自带的高性能 I/O 机制，通过多线程和事件模式，对目标机器产生大量的负载。

本次模拟实验就使用 wrk 工具来压力测试服务端，发起大量的请求，一起看看服务端 TCP 全连接队列满了会发生什么？有什么观察指标？

(3) 全连接队列溢出会发生什么？

客户端执行 wrk 命令对服务端发起压力测试，并发 3 万个连接：

-t 6：表示6个线程
-c 30000：表示3万个连接
-d 60s：表示持续压测60s

在服务端使用 ss 命令，来查看当前 TCP 全连接队列的情况：

其间共执行了两次 ss 命令，从上面的输出结果，可以发现当前 TCP 全连接队列上升到了 129 大小，超过了最大 TCP 全连接队列的值128。

当超过了 TCP 最大全连接队列，服务端则会丢掉后续进来的 TCP 连接，丢掉的 TCP 连接的个数会被统计起来，我们在服务端可以使用 netstat -s 命令来查看：

上面看到的 1750、2287....times ，表示全连接队列溢出的次数，注意这个是累计值。可以隔几秒钟执行下，如果这个数字一直在增加的话肯定全连接队列偶尔满了。

客户端执行wrk命令最后的结果:

图中各个参数的解释见：HTTP压测工具之wrk

从上面的模拟结果，可以得知，当服务端并发处理大量请求时，如果 TCP 全连接队列过小，就容易溢出。发生 TCP 全连接队溢出的时候，后续的请求就会被丢弃。

Linux 有个参数可以指定当 TCP 全连接队列满了会使用什么策略来回应客户端。

tcp_abort_on_overflow 共有两个值分别是 0 和 1，其分别表示：

0 ：如果全连接队列满了，那么 server 扔掉 client 发过来的 ack ；
1 ：如果全连接队列满了，server 发送一个 reset 包给 client，表示废掉这个握手过程和这个连接；

如果要想知道客户端连接不上服务端，是不是服务端 TCP 全连接队列满的原因，那么可以把 tcp_abort_on_overflow 设置为 1，这时如果在客户端异常中可以看到很多 connection reset by peer 的错误，那么就可以证明是由于服务端 TCP 全连接队列溢出的问题。

通常情况下，应当把 tcp_abort_on_overflow 设置为 0，因为这样更有利于应对突发流量。

举个例子，当 TCP 全连接队列满导致服务器丢掉了 ACK，与此同时，客户端的连接状态却是 ESTABLISHED，进程就在建立好的连接上发送请求。只要服务器没有为请求回复 ACK，请求就会被多次重发。如果服务器上的进程只是短暂的繁忙造成 accept 队列满，那么当 TCP 全连接队列有空位时，再次接收到的请求报文由于含有 ACK，仍然会触发服务器端成功建立连接。

所以，tcp_abort_on_overflow 设为 0 可以提高连接建立的成功率，只有你非常肯定 TCP 全连接队列会长期溢出时，才能设置为 1 以尽快通知客户端。

我们把服务端 tcp_abort_on_overflow 的值设为 1后，重复上述实验。

在客户端继续执行3W次压测。

可以明显看到Socket errors中 read错误和 write错误与 tcp_abort_on_overflow 设为 0之前大幅度增加！

(4) 如何增大全连接队列呢？

当发现 TCP 全连接队列发生溢出的时候，我们就需要增大该队列的大小，以便可以应对客户端大量的请求。

TCP 全连接队列足最大值取决于 somaxconn 和 backlog 之间的最小值，也就是 min(somaxconn, backlog)。从下面的 Linux 内核代码可以得知：

somaxconn 是 Linux 内核的参数，默认值是 128，可以通过 /proc/sys/net/core/somaxconn 来设置其值；
backlog 是 listen(int sockfd, int backlog) 函数中的 backlog 大小，Nginx 默认值是 511，可以通过修改配置文件设置其长度；

前面模拟测试中，我的测试环境：

somaxconn 是默认值 128；
Nginx 的 backlog 是默认值 511

现在我们重新压测，把 TCP 全连接队列搞大，把 somaxconn 设置成 5000：

接着把 Nginx 的 backlog 也同样设置成 5000：

设置完毕后进入nginx下的sbin目录执行以下命令即可：

[root@localhost sbin]# ./nginx -s reload

服务端执行 ss 命令，查看 TCP 全连接队列大小：

从执行结果，可以发现 TCP 全连接最大值为 5000。

紧接着在客户端以 3 万个连接并发发送请求给服务端，继续压测：

服务端执行 ss 命令，查看 TCP 全连接队列使用情况：

从上面的执行结果，可以发现全连接队列使用增长的很快，但是一直都没有超过最大值，所以就不会溢出，那么 netstat -s 的值就不会改变：

说明 TCP 全连接队列最大值从 128 增大到 5000 后，服务端抗住了 3 万连接并发请求，也没有发生全连接队列溢出的现象了。

如果持续不断地有连接因为 TCP 全连接队列溢出被丢弃，就应该调大 backlog 以及 somaxconn 参数。

3.TCP半连接队列溢出

(1) 如何查看半连接队列大小？

很遗憾，TCP 半连接队列长度的长度，没有像全连接队列那样可以用 ss 命令查看。

但是我们可以抓住 TCP 半连接的特点，就是服务端处于 SYN_RECV 状态的 TCP 连接，就是在 TCP 半连接队列。

(2) 如何模拟半连接队列溢出场景？

模拟 TCP 半连接溢出场景不难，实际上就是对服务端一直发送 TCP SYN 包，但是不回第三次握手 ACK，这样就会使得服务端有大量的处于 SYN_RECV 状态的 TCP 连接。

这其实也就是所谓的 SYN 洪泛、SYN 攻击、DDos 攻击。

实验环境

客户端和服务端都是 CentOs 6.5 ，Linux 内核版本 2.6.32
服务端 IP 192.168.127.153，客户端 IP 192.168.127.152(由于采用的是DHCP动态分配IP地址，所以和上一个实验相比，服务端和客户端的IP地址都改变了，建议使用静态地址！！)
服务端是 Nginx 服务，端口为 8088
客户端利用hping3工具模拟SYN攻击

注意：本次模拟实验是没有开启 tcp_syncookies，关于 tcp_syncookies 的作用，后续会说明。centos6.5是默认开启tcp_syncookies的，必须主动关闭。

本次实验使用 hping3 工具模拟 SYN 攻击：

-S：表示发生SYN数据包
-p：表示攻击的端口
--flood：和洪水一样不停的攻击
--rand-source：随机构造发送方的IP地址

当服务端受到 SYN 攻击后，我们在服务端主机上执行查看当前 TCP 半连接队列大小：

可以发现最大值到256就不再变化，说明当前TCP半连接队列的最大值为256。

同时，如果半连接队列满了且tcp_syncookies未开启，则客户端发送至服务端的正常请求连接数据包将会被丢弃，利用curl命令证明了这一点。

(3) 网上都说tcp_max_syn_backlog是指定半连接队列的大小，是真的吗？

先说结论，在centos6.5(linux内核2.6.32)环境下，半连接队列最大值不是单单由 max_syn_backlog 决定，还跟 somaxconn 和 backlog 有关系。

上面模拟 SYN 攻击场景时，服务端的 tcp_max_syn_backlog 的默认值如下：

但是在测试的时候发现，服务端最多只有 256 个半连接队列，而不是 512，所以半连接队列的最大长度不一定由 tcp_max_syn_backlog 值决定的。

(4) 源码分析半连接队列的最大值是如何决定的

先说结论：

当 tcp_max_syn_backlog > min(somaxconn, backlog) 时，半连接队列最大值 max_qlen_log = min(somaxconn, backlog) * 2;
当 tcp_max_syn_backlog < min(somaxconn, backlog) 时，半连接队列最大值 max_qlen_log = tcp_max_syn_backlog * 2;

TCP 第一次握手（收到 SYN 包）的 Linux 内核代码如下，其中缩减了大量的代码，只需要重点关注 TCP 半连接队列溢出的处理逻辑：

从源码中，我可以得出共有三个条件因队列长度的关系而被丢弃的：

如果半连接队列满了，并且没有开启 tcp_syncookies，则会丢弃；
若全连接队列满了，且没有重传 SYN+ACK 包的连接请求多于 1 个，则会丢弃；
如果没有开启 tcp_syncookies，并且 max_syn_backlog 减去当前半连接队列长度小于 (max_syn_backlog >> 2)，则会丢弃；

关于 tcp_syncookies 的设置，后面在详细说明，可以先给大家说一下，开启 tcp_syncookies 是缓解 SYN 攻击其中一个手段。

接下来，我们继续跟一下检测半连接队列是否满的函数 inet_csk_reqsk_queue_is_full 和检测全连接队列是否满的函数 sk_acceptq_is_full ：

从上面源码，可以得知：

全连接队列的最大值是 sk_max_ack_backlog 变量，sk_max_ack_backlog 实际上是在 listen() 源码里指定的，也就是 min(somaxconn, backlog)；
半连接队列的最大值是 max_qlen_log 变量，max_qlen_log 是在哪指定的呢？现在暂时还不知道，我们继续跟进；

我们继续跟进代码，看一下是哪里初始化了半连接队列的最大值 max_qlen_log：

从上面的代码中，我们可以算出 max_qlen_log 是 8，于是代入到检测半连接队列是否满的函数 reqsk_queue_is_full ：

也就是 qlen >> 8 什么时候为 1 就代表半连接队列满了。这计算这不难，很明显是当 qlen 为 256 时，256 >> 8 = 1。

至此，总算知道为什么上面模拟测试 SYN 攻击的时候，服务端处于 SYN_RECV 连接最大只有 256 个。

可见，半连接队列最大值不是单单由 max_syn_backlog 决定，还跟 somaxconn 和 backlog 有关系。

在 Linux 2.6.32 内核版本，它们之间的关系，总体可以概况为：

综上所述，结论如下：

当 tcp_max_syn_backlog > min(somaxconn, backlog) 时，半连接队列最大值 max_qlen_log = min(somaxconn, backlog) * 2;
当 tcp_max_syn_backlog < min(somaxconn, backlog) 时，半连接队列最大值 max_qlen_log = tcp_max_syn_backlog * 2;

(5) 半连接队列最大值 max_qlen_log 就表示服务端处于 SYN_REVC 状态的最大个数吗？

首先需要明白每个 Linux 内核版本「理论」半连接最大值计算方式会不同。不谈linux内核版本介绍就是扯淡。本文是基于Centos6.5(linux内核2.6.32)

答案是否定的，max_qlen_log 是理论半连接队列最大值，并不一定代表服务端处于 SYN_REVC 状态的最大个数。

如果「当前半连接队列」没超过「理论半连接队列最大值」，但是超过 max_syn_backlog - (max_syn_backlog >> 2)，那么处于 SYN_RECV 状态的最大个数就是 max_syn_backlog - (max_syn_backlog >> 2)+1；
如果「当前半连接队列」超过「理论半连接队列最大值」，那么处于 SYN_RECV 状态的最大个数就是「理论半连接队列最大值」；

在前面我们在分析 TCP 第一次握手（收到 SYN 包）时会被丢弃的三种条件：

如果半连接队列满了，并且没有开启 tcp_syncookies，则会丢弃；
若全连接队列满了，且没有重传 SYN+ACK 包的连接请求多于 1 个，则会丢弃；
如果没有开启 tcp_syncookies，并且 tcp_max_syn_backlog 减去当前半连接队列长度小于 (tcp_max_syn_backlog >> 2)，则会丢弃；

假设条件 1 当前半连接队列的长度「没有超过」理论的半连接队列最大值 max_qlen_log，那么如果条件 3 成立，则依然会丢弃 SYN 包，也就会使得服务端处于 SYN_REVC 状态的最大个数不会是理论值 max_qlen_log。

接下来我用一个实验来证明这个结论：

服务端的相关变量值如下：

根据上文的结论可以求出在这种情况下，半连接队列理论最大值为：max_qlen_log = tcp_max_syn_backlog * 2 = 64 * 2 = 128.

客户端执行hping3发起SYN攻击

服务端执行如下命令，查看处于 SYN_RECV 状态的最大个数：

可以发现，服务端处于 SYN_RECV 状态的最大个数(49)并不是半连接队列理论最大值(128).

这就是前面所说的原因：如果当前半连接队列的长度「没有超过」理论半连接队列最大值 max_qlen_log，那么如果条件 3 成立，则依然会丢弃 SYN 包，也就会使得服务端处于 SYN_REVC 状态的最大个数不会是理论值 max_qlen_log。

那49是如何计算出来的呢？

tcp_max_syn_backlog 减去 当前半连接队列长度小于 (tcp_max_syn_backlog >> 2)，则会丢弃.

64 - 当前半连接队列长度 < 64 / 4
当前半连接队列长度 > 64 - 16 = 48

因为处于 SYN_RECV 状态的个数还没到「理论半连接队列最大值 128」，所以如果当前半连接队列长度 > 48,则会丢弃SYN包。

(6) 如果SYN半连接队列已经满了，只能丢弃连接吗？

结论：答案是否定的，在前面我们源码分析也可以看到这点，当开启了 syncookies 功能就可以在不使用 SYN 半连接队列的情况下成功建立连接。

tcp_syncookies 参数主要有以下三个值，可以在 /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies 修改该值。

0 值，表示关闭该功能；
1 值，表示仅当 SYN 半连接队列放不下时，再启用它；
2 值，表示无条件开启功能；

上文也说过了，centos6.5(linun内核2.6.32)默认开启syncookies功能。

(7) 如何防御SYN攻击？(当半连接队列已满，如何调整？)

这里给出几种方法：

增大半连接队列；
开启 tcp_syncookies 功能
减少 SYN+ACK 重传次数(减小tcp_synack_retries的值)

方式一：增大半连接队列

在前面源码和实验中，得知要想增大半连接队列，我们得知不能只单纯增大 tcp_max_syn_backlog 的值，还需一同增大 somaxconn 和 backlog，也就是增大全连接队列。否则，只单纯增大tcp_max_syn_backlog 是无效的。

增大 tcp_max_syn_backlog 和 somaxconn 的方法是修改 Linux 内核参数。

增大 backlog 的方式，每个 Web 服务都不同，比如 Nginx 增大 backlog 的方法如下：

方式三：减少 SYN+ACK 重传次数

当服务端受到 SYN 攻击时，就会有大量处于 SYN_REVC 状态的 TCP 连接，处于这个状态的 TCP 会重传 SYN+ACK ，当重传超过次数达到上限后，就会断开连接。

那么针对 SYN 攻击的场景，我们可以减少 SYN+ACK 的重传次数，也就是修改linux内核参数 tcp_synack_retries 以加快处于 SYN_REVC 状态的 TCP 连接断开。