TCP：学得越多越不懂
踩坑记：go服务内存暴涨
Apr
20
TCP#2: 西厢记和西厢计划
上篇《TCP：学得越多越不懂》发出来以后，有朋友很委婉地说：“如果能结合现实生产场景会有意义一点。”
经过深刻的反思，我决定虚心接受建议，写一点理论结合实践的内容。
# == 回忆杀 ==
曾经在猫扑和天涯冲浪的网虫应该都还记得，谷歌当时还是Goooooogle，是可以直接访问的。
但是如果想搜索一些奇怪的词汇（比如███），一点击"手气不错"，浏览器马上就会显示无法访问，并且这个现象会持续几分钟。
于是很多小伙伴就换到一个号称自己更懂中文的搜索引擎了。
（该爬虫当年有个广告拍得不错：https://v.qq.com/x/page/r0137s2op5j.html ）
作为一个曾被新自由主义（Neoliberalism）洗脑的年轻人，我在寻找“自由”的路上发现了墙的存在，也知道了这是方校长的杰作。
但是墙到底是个什么样的存在呢？
# == 防火墙 ==
我们的防火墙，其名源自《The Great Firewall of China: How to Build and Control an Alternative Version of the Internet》这本书。
虽然名字叫防火墙（Firewall，简称FW），但严格来说，（在早期）它其实是一个入侵检测系统（Instrusion Detection System，简称IDS）。
和FW不同的是，IDS是监听设备，不需要部署在链路中间，只要能把流量旁路引出供它分析即可。
通过旁路分析，IDS可以在不影响现有流量的情况下部署（只要路由器/交换机上有镜像端口即可），在IDS出现异常时（例如在流量高峰IDS设备性能不足时 ）也不会导致网络中断。
曾经有人发现，在流量特别大的时候，墙的检测功能有时会失效，因此推测其是旁路引流进行分析的（符合IDS的特征）。
既然是旁路的，就无法直接Drop数据包，为了达到阻断通信的目的，需要利用协议的特性来实现。
# == RST大法 ==
看了上篇《TCP：学得越多越不懂》的同学，对报文的控制位里的 RST 可能还有点印象，在遇到异常情况时，可用于通知对方重置连接（细节详见RFC 793）：
有些同学可能像我一样懒得读英文原文，所以翻译一下：
* 如果连接状态处于“非连接完成”状态（例如SYN-SEND, SYN-RECEIVED），当收到reset时会将状态返回LISTEN；
* 如果TCP状态是 ESTABLISHED, FIN-WAIT-1, ..., LAST-ACK, TIME-WAIT 其中之一时，放弃连接并通知用户。
忘了上述状态含义的话，可以再回顾下这张状态流转图：
(tcp连接状态图，截取自rfc 793)
这就是上篇里提到的“我们敬爱的防火墙很爱用它”的原因了：
当检测到“入侵行为”时（例如HTTP报文中出现了███）发送RST，按照RFC 793规范的TCP协议栈实现，收到RST后就应当放弃本次连接。
于是你就在浏览器上看到连接被重置(reset)了。
# == 反RST大法 ==
那么，如果我忽略RST包，不就可以不被墙欺骗吗？
实际上，用 iptables 来实现这一点很简单：
很不幸，方校长的团队对此的解决方法也非常简单，只要向双方都发送RST包就可以了。
当然如果在服务器一端也忽略RST，就可以成功绕过墙的忽悠——据说剑桥大学有人实验验证过，确实可行。
可惜的是，用户通常没法控制服务器端忽略RST，因此这个方法的实用价值不高。
但是这个思路为西厢计划做好了铺垫。
# == 西厢计划 ==
我看到这个项目的名字的时候 ，真佩服作者的脑洞。
了解这个计划的原理之后，就更佩服作者的脑洞了。
前面说到，墙是在检测到某个关键词的时候才会发送RST包。
为了检测关键词，它需要工作在应用层（HTTP协议）。
而为了工作在应用层，它需要维护TCP连接的状态。
由于那时的设备性能比较弱（所以会出现高峰期检测失效的情况），为了提高吞吐量，方校长团队的方案是：实现一个简化的TCP栈。
RFC 793规范中定义了很多有效性检测，例如检测序列号是否有效来过滤old duplicates等，以保证通信的可靠性。
但这不是墙的需求，因此可以去掉很多规则，从而提高分析性能。
那么，如果我可以欺骗墙，这个连接已经被关闭，那么后续该连接的包就会被墙认为是网络中滞留的无效包，绕过关键词检测。
具体该怎么办呢？
# == 第一阶段 ==
上篇提到了一个细节：
我们知道，在三次握手的最后一步，A本应发送一个ACK(seq=y+1)。
但如果这时候 A 发送了一个 FIN 呢？
B收到以后，由于此时连接尚未建立，会直接忽略这个包。
而墙实现的TCP栈比较简陋，它认为A已经关闭了链接，因此A后续发送的包就不会再触发关键词检测。
但是注意，TCP是双向的，虽然A主动关闭连接，但是B仍然可能有数据要发送（划重点：面试题“为什么TCP断开连接需要4次”的答案），因此还需要欺骗墙说在B这侧也终止链接了。
这又该怎么办呢？
# == 第二阶段 ==
显然我们不能让服务器直接发一个FIN，否则这个连接就真完了。
幸运的是，RFC 793给了一个“梯子”：
翻译：如果连接处于“非连接完成”状态，收到一个无效的ACK，应当发出一个reset。
如果A在三次握手的最后一步，没有按规范要求发送ACK(seq=y+1)，而是发送ACK(seq=y)，那么B在收到以后就会按照协议的要求回复一个RST：
这时我们可以在 A 上用“反RST大法”，忽略服务端返回的RST，这个连接就不受影响。
但是墙的TCP栈认为客户端会按照协议终止连接，于是就不再有必要检测服务端后续的报文了。
# == 大结局 ==
从此张生和崔莺莺过上了幸福的生活。
方校长的团队当然不会放任这种事情的发生，西厢计划没过多久就失效了。
随着技术的进步、性能的提升，现在墙似乎已经集成到了链路中、可以直接DROP数据包，不再需要RST大法了。
不过为了业务需要，企业可以向电信主管部门申请VPN用于正常的生产经营。
例如字节跳动，为了建设21世纪数字丝绸之路，通过技术出海，在40多个国家和地区排在应用商店总榜前列，包括韩国、印尼、马来西亚、俄罗斯、土耳其等“一带一路”沿线的主要国家。
如果你也想过上幸福的生活，不妨投个简历，一起为一带一路做贡献吧。
关于字节跳动面试的详情，可参考我之前写的《程序员面试指北：面试官视角》
https://mp.weixin.qq.com/s/Byvu-w7kyby-L7FBCE24Uw
# ~ 投递链接 ~
网盟广告（穿山甲）-后端开发(上海)
https://job.toutiao.com/s/sBAvKe
网盟广告（穿山甲）-后端开发(北京)
https://job.toutiao.com/s/sBMyxk
网盟广告（穿山甲）-广告策略研发(上海)
https://job.toutiao.com/s/sBDMAK
其他地区、其他职能线
https://job.toutiao.com/s/sB9Jqk
# 参考文章
[1] “西厢计划”原理小解
https://blog.youxu.info/2010/03/14/west-chamber/
[2] 从Linux协议栈代码和RFC看西厢计划原理
https://blog.csdn.net/dog250/article/details/7246895
[3] RFC 793 - TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL
https://tools.ietf.org/html/rfc793
转载请注明出自 ，如是转载文则注明原出处，谢谢:)
RSS订阅地址: https://www.felix021.com/blog/feed.php 。
引用
自那日听琴之后，多日不见莺莺，张生害了相思病，趁红娘探病之机会，托她捎信给莺莺，莺莺回信约张生月下相会。夜晚，小姐莺莺在后花园弹琴，张生听到琴声，攀上墙头一看，是莺莺在弹琴。急欲与小姐相见，便翻墙而入，莺莺见他翻墙而入，反怪他行为下流，发誓不再见他，致使张生病情愈发严重。
《西厢记》
《西厢记》
上篇《TCP：学得越多越不懂》发出来以后，有朋友很委婉地说：“如果能结合现实生产场景会有意义一点。”
经过深刻的反思，我决定虚心接受建议，写一点理论结合实践的内容。
# == 回忆杀 ==
曾经在猫扑和天涯冲浪的网虫应该都还记得，谷歌当时还是Goooooogle，是可以直接访问的。
但是如果想搜索一些奇怪的词汇（比如███），一点击"手气不错"，浏览器马上就会显示无法访问，并且这个现象会持续几分钟。
于是很多小伙伴就换到一个号称自己更懂中文的搜索引擎了。
（该爬虫当年有个广告拍得不错：https://v.qq.com/x/page/r0137s2op5j.html ）
作为一个曾被新自由主义（Neoliberalism）洗脑的年轻人，我在寻找“自由”的路上发现了墙的存在，也知道了这是方校长的杰作。
但是墙到底是个什么样的存在呢？
# == 防火墙 ==
我们的防火墙，其名源自《The Great Firewall of China: How to Build and Control an Alternative Version of the Internet》这本书。
虽然名字叫防火墙（Firewall，简称FW），但严格来说，（在早期）它其实是一个入侵检测系统（Instrusion Detection System，简称IDS）。
和FW不同的是，IDS是监听设备，不需要部署在链路中间，只要能把流量旁路引出供它分析即可。
通过旁路分析，IDS可以在不影响现有流量的情况下部署（只要路由器/交换机上有镜像端口即可），在IDS出现异常时（例如在流量高峰IDS设备性能不足时 ）也不会导致网络中断。
曾经有人发现，在流量特别大的时候，墙的检测功能有时会失效，因此推测其是旁路引流进行分析的（符合IDS的特征）。
既然是旁路的，就无法直接Drop数据包，为了达到阻断通信的目的，需要利用协议的特性来实现。
# == RST大法 ==
看了上篇《TCP：学得越多越不懂》的同学，对报文的控制位里的 RST 可能还有点印象，在遇到异常情况时，可用于通知对方重置连接（细节详见RFC 793）：
引用
If the receiving TCP is in a non-synchronized state (i.e. SYN-SENT, SYN-RECEIVED), it returns to LISTEN on receiving an acceptable reset. If the TCP is in one of the synchronized states (ESTABLISHED, FIN-WAIT1, FIN-WAIT2, CLOSE-WAIT, CLOSING, LAST-ACK, TIME-WAIT), it aborts the connection and informs its user
https://tools.ietf.org/html/rfc793
https://tools.ietf.org/html/rfc793
有些同学可能像我一样懒得读英文原文，所以翻译一下：
* 如果连接状态处于“非连接完成”状态（例如SYN-SEND, SYN-RECEIVED），当收到reset时会将状态返回LISTEN；
* 如果TCP状态是 ESTABLISHED, FIN-WAIT-1, ..., LAST-ACK, TIME-WAIT 其中之一时，放弃连接并通知用户。
忘了上述状态含义的话，可以再回顾下这张状态流转图：
(tcp连接状态图，截取自rfc 793)
这就是上篇里提到的“我们敬爱的防火墙很爱用它”的原因了：
当检测到“入侵行为”时（例如HTTP报文中出现了███）发送RST，按照RFC 793规范的TCP协议栈实现，收到RST后就应当放弃本次连接。
于是你就在浏览器上看到连接被重置(reset)了。
# == 反RST大法 ==
那么，如果我忽略RST包，不就可以不被墙欺骗吗？
实际上，用 iptables 来实现这一点很简单：
$ iptables -A INPUT -p tcp --tcp-flags RST RST -j DROP
很不幸，方校长的团队对此的解决方法也非常简单，只要向双方都发送RST包就可以了。
当然如果在服务器一端也忽略RST，就可以成功绕过墙的忽悠——据说剑桥大学有人实验验证过，确实可行。
可惜的是，用户通常没法控制服务器端忽略RST，因此这个方法的实用价值不高。
但是这个思路为西厢计划做好了铺垫。
# == 西厢计划 ==
我看到这个项目的名字的时候 ，真佩服作者的脑洞。
了解这个计划的原理之后，就更佩服作者的脑洞了。
前面说到，墙是在检测到某个关键词的时候才会发送RST包。
为了检测关键词，它需要工作在应用层（HTTP协议）。
而为了工作在应用层，它需要维护TCP连接的状态。
由于那时的设备性能比较弱（所以会出现高峰期检测失效的情况），为了提高吞吐量，方校长团队的方案是：实现一个简化的TCP栈。
RFC 793规范中定义了很多有效性检测，例如检测序列号是否有效来过滤old duplicates等，以保证通信的可靠性。
但这不是墙的需求，因此可以去掉很多规则，从而提高分析性能。
那么，如果我可以欺骗墙，这个连接已经被关闭，那么后续该连接的包就会被墙认为是网络中滞留的无效包，绕过关键词检测。
具体该怎么办呢？
# == 第一阶段 ==
上篇提到了一个细节：
引用
虽然ISN=4000，但是发送方发送的第一个包，SEQ是4001开始的，TCP协议规定 SYN 需要占一个序号（虽然SYN并不是实际传输的数据），所以前面示意图中ACK的seq是 x+1 。同样，FIN也会占用一个序号，这样可以保证FIN报文的重传和确认不会有歧义。
TCP：学得越多越不懂
https://mp.weixin.qq.com/s/xyPUEFUr_v9sSKKqlBkI7w
TCP：学得越多越不懂
https://mp.weixin.qq.com/s/xyPUEFUr_v9sSKKqlBkI7w
我们知道，在三次握手的最后一步，A本应发送一个ACK(seq=y+1)。
但如果这时候 A 发送了一个 FIN 呢？
B收到以后，由于此时连接尚未建立，会直接忽略这个包。
而墙实现的TCP栈比较简陋，它认为A已经关闭了链接，因此A后续发送的包就不会再触发关键词检测。
但是注意，TCP是双向的，虽然A主动关闭连接，但是B仍然可能有数据要发送（划重点：面试题“为什么TCP断开连接需要4次”的答案），因此还需要欺骗墙说在B这侧也终止链接了。
这又该怎么办呢？
# == 第二阶段 ==
显然我们不能让服务器直接发一个FIN，否则这个连接就真完了。
幸运的是，RFC 793给了一个“梯子”：
引用
If the connection is in any non-synchronized state (LISTEN, SYN-SENT, SYN-RECEIVED), and the incoming segment acknowledges something not yet sent (the segment carries an unacceptable ACK), or ...(省略)..., a reset is sent.
Reset Generation, RFC 793 [Page 35]
Reset Generation, RFC 793 [Page 35]
翻译：如果连接处于“非连接完成”状态，收到一个无效的ACK，应当发出一个reset。
如果A在三次握手的最后一步，没有按规范要求发送ACK(seq=y+1)，而是发送ACK(seq=y)，那么B在收到以后就会按照协议的要求回复一个RST：
这时我们可以在 A 上用“反RST大法”，忽略服务端返回的RST，这个连接就不受影响。
但是墙的TCP栈认为客户端会按照协议终止连接，于是就不再有必要检测服务端后续的报文了。
# == 大结局 ==
方校长的团队当然不会放任这种事情的发生，西厢计划没过多久就失效了。
随着技术的进步、性能的提升，现在墙似乎已经集成到了链路中、可以直接DROP数据包，不再需要RST大法了。
不过为了业务需要，企业可以向电信主管部门申请VPN用于正常的生产经营。
例如字节跳动，为了建设21世纪数字丝绸之路，通过技术出海，在40多个国家和地区排在应用商店总榜前列，包括韩国、印尼、马来西亚、俄罗斯、土耳其等“一带一路”沿线的主要国家。
如果你也想过上幸福的生活，不妨投个简历，一起为一带一路做贡献吧。
关于字节跳动面试的详情，可参考我之前写的《程序员面试指北：面试官视角》
https://mp.weixin.qq.com/s/Byvu-w7kyby-L7FBCE24Uw
# ~ 投递链接 ~
网盟广告（穿山甲）-后端开发(上海)
https://job.toutiao.com/s/sBAvKe
网盟广告（穿山甲）-后端开发(北京)
https://job.toutiao.com/s/sBMyxk
网盟广告（穿山甲）-广告策略研发(上海)
https://job.toutiao.com/s/sBDMAK
其他地区、其他职能线
https://job.toutiao.com/s/sB9Jqk
# 参考文章
[1] “西厢计划”原理小解
https://blog.youxu.info/2010/03/14/west-chamber/
[2] 从Linux协议栈代码和RFC看西厢计划原理
https://blog.csdn.net/dog250/article/details/7246895
[3] RFC 793 - TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL
https://tools.ietf.org/html/rfc793
欢迎扫码关注：
转载请注明出自 ，如是转载文则注明原出处，谢谢:)
RSS订阅地址: https://www.felix021.com/blog/feed.php 。
