各位读者无论是作为候选人还是面试官，想必对 “TCP 三步握手，四步挥手” 都烂熟于心了。但是百闻不如一见，今天我们就来 在真实环境中把这个过程可视化，实地看一看，TCP 的状态到底是如何转化的。
TL;DR
本文生成的结果如图：
每一段代表一个状态，起始点是相对时间戳和状态名字。
环境
我们用一个 nginx 作为 server（server_ip:server_port），同时用 curl 作为 client，就有了一个简单的真实环境。
那么怎么观测 TCP 状态转移呢？
inet_sock_set_state
内核为我们提供了一个 tracepoint: inet_sock_set_state。这个 tracepoint 会在 TCP 状态发生变化的时候被调用，于是我们就有了 TCP 状态转移的观测点，这也是《用eBPF/XDP来替代LVS》系列 中使用的技巧。用 ebpf/libbpf 写下来大概是这样：
SEC("tp_btf/inet_sock_set_state")int BPF_PROG(trace_inet_sock_set_state, struct sock *sk, int oldstate, int newstate){ const int type = BPF_CORE_READ(sk,sk_type); if(type != SOCK_STREAM){//1 return 0; } const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(sk,__sk_common); const struct inet_sock *inet = (struct inet_sock *)(sk); return track_state((long long)sk,&skc,inet,oldstate,newstate);}
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我们监听到状态转移事件后就可以从中提取这个连接的 4 元组
static int track_state(long long skaddr,const struct sock_common *skc, const struct inet_sock *inet, int oldstate, int newstate){ __u32 dip = (BPF_CORE_READ(skc,skc_daddr)); __u16 dport = (BPF_CORE_READ(skc,skc_dport)); __u32 sip = (BPF_CORE_READ(inet,inet_saddr)); __u16 sport = (BPF_CORE_READ(inet,inet_sport)); return judge_side(skaddr,dip, dport, sip, sport,oldstate,newstate);}
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然后依据 4 元组判断是哪个 side
static int judge_side(long long skaddr,__u32 dip,__u16 dport,__u32 sip, __u16 sport, int oldstate, int newstate){ enum run_mode m = ENUM_unknown; // server might bind to INADDR_ANY rather than just server_ip if((sip == server_ip || sip == INADDR_ANY) && sport == server_port){ m = ENUM_server; fire_sock_release_event(m,oldstate,newstate); } else if(dip == server_ip && dport == server_port){ m = ENUM_client; fire_sock_release_event(m,oldstate,newstate); } return 0;}
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判断完毕后，将事件发送到用户空间
static void fire_sock_release_event(enum run_mode mode, int oldstate, int newstate){ struct event *e ; e = bpf_ringbuf_reserve(&rb, sizeof(*e), 0); if (!e){ return; } e->mode = mode; e->oldstate = oldstate; e->newstate = newstate; e->ts = bpf_ktime_get_ns(); bpf_ringbuf_submit(e, 0);}
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用户空间打印出来即可
static int handle_event(void *ctx, void *data, size_t data_sz){ const struct event *e = data; fprintf(stderr, "ts:%llu:%s:%s:%s\n", e->ts,mode2str(e->mode),state2str(e->oldstate),state2str(e->newstate)); return 0;}
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加载程序后，发起请求：curl 172.19.0.2:80。结果：
ts:2220445792791:client:CLOSE:SYN_SENTts:2220446761789:client:SYN_SENT:ESTABLISHEDts:2220447626787:server:LISTEN:SYN_RECVts:2220448026786:server:SYN_RECV:ESTABLISHEDts:2220454118771:client:ESTABLISHED:FIN_WAIT1ts:2220455075769:server:ESTABLISHED:CLOSE_WAITts:2220455593768:server:CLOSE_WAIT:LAST_ACKts:2220456264766:client:FIN_WAIT1:FIN_WAIT2ts:2220456525766:client:FIN_WAIT2:TIME_WAITts:2220456623765:client:FIN_WAIT2:CLOSEts:2220456768765:server:LAST_ACK:CLOSE
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乍一看似乎没毛病，但是仔细看看，client 中断了连接，不是应该有 TIME_WAIT 这个状态吗？怎么直接就 CLOSE 了？且看下文分析。
inet_timewait_sock
在内核源代码中搜索一下相关文件会发现，一个连接有多个 struct 来表示。对于 sock 来说，确实 FIN_WAIT2 后就 CLOSE 了，然后把 time_wait 委托给 inet_timewait_sock 这个 struct 来管理了。具体过程可以查看 tcp_time_wait 这个函数。查看这个文件 inet_timewait_sock.h 我们大概就能找到一个连接进入和离开 time_wait 状态需要调用的函数了。
进入我们采用 fexit，可以获得生成的 inet_timewait_sock 的结构体，便于和离开时作对比：
SEC("fexit/inet_twsk_alloc")int BPF_PROG(inet_twsk_alloc,const struct sock *sk,struct inet_timewait_death_row *dr, const int state,struct inet_timewait_sock *tw) { const int type = BPF_CORE_READ(sk,sk_type); if(type != SOCK_STREAM){//1 return 0; } const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(sk,__sk_common); const struct inet_sock *inet = (struct inet_sock *)(sk); const char oldstate = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_state)); bpf_printk("tw_aloc,skaddr:%u,skcaddr:%u,twaddr:%u,oldstate:%s,newstate:%s", sk,&skc,tw,state2str(oldstate),state2str(state)); track_state((long long)sk,&skc,inet,oldstate,state); return 0;}
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离开采用传统的 kprobe 即可
SEC("kprobe/inet_twsk_put")int BPF_KPROBE(kprobe_inet_put,struct inet_timewait_sock *tw) { const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(tw,__tw_common); const int family = BPF_CORE_READ(&skc,skc_family); if(family != AF_INET){ return 0; } // 省略 tw 对比代码 __u32 dip = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_daddr)); __u16 dport = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_dport)); __u32 sip = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_rcv_saddr)); __u16 sport = bpf_htons(BPF_CORE_READ(&skc,skc_num)); return judge_side((long long)tw,dip, dport, sip, sport,oldstate,TCP_CLOSE);}
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现在齐活了：
ts:2220445792791:client:CLOSE:SYN_SENTts:2220446761789:client:SYN_SENT:ESTABLISHEDts:2220447626787:server:LISTEN:SYN_RECVts:2220448026786:server:SYN_RECV:ESTABLISHEDts:2220454118771:client:ESTABLISHED:FIN_WAIT1ts:2220455075769:server:ESTABLISHED:CLOSE_WAITts:2220455593768:server:CLOSE_WAIT:LAST_ACKts:2220456264766:client:FIN_WAIT1:FIN_WAIT2ts:2220456525766:client:FIN_WAIT2:TIME_WAITts:2220456623765:client:FIN_WAIT2:CLOSEts:2220456768765:server:LAST_ACK:CLOSEts:2282464966825:client:TIME_WAIT:CLOSE
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2220456623765 这一条记录我们忽略即可。
可视化
数据有了，用 Python 画一下比较简单，可以得到这个图：
核心代码如：
plt.text(start, 1.20, f'Server State Changes',fontsize=15)plt.plot(sx[:2], sy[:2], colors[0] + '-') idx = timestamps.index(sx[1])msg = old_states[idx]plt.text(start, sy[0] + 0.01, f'({start}:{msg})',fontsize=fontsize)plt.plot(start, sy[0], colors[0] + 's', alpha=0.5,markersize = markersize) for i in range(1, len(sx)-1): upward = (i/25) plt.plot(sx[i:i+2], [sy[i]+upward,sy[i+1]+upward], colors[i] + '-') idx = timestamps.index(sx[i]) msg = new_states[idx] plt.text(sx[i], sy[i]+upward+0.01, f'({sx[i]}:{msg})',fontsize=fontsize) plt.plot(sx[i], sy[i]+upward, colors[i] + 's', alpha=0.5,markersize = markersize)
plt.show()
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注：内核中不支持修改 timewait 时间，图中将其缩小才方便展示，其余状态如实展示。
TCP_NEW_SYN_RECV
细心的读者可能注意到，上面的时序似乎有点问题：
ts:2220445792791:client:CLOSE:SYN_SENTts:2220446761789:client:SYN_SENT:ESTABLISHEDts:2220447626787:server:LISTEN:SYN_RECVts:2220448026786:server:SYN_RECV:ESTABLISHEDts:2220454118771:client:ESTABLISHED:FIN_WAIT1ts:2220455075769:server:ESTABLISHED:CLOSE_WAITts:2220455593768:server:CLOSE_WAIT:LAST_ACKts:2220456264766:client:FIN_WAIT1:FIN_WAIT2ts:2220456525766:client:FIN_WAIT2:TIME_WAITts:2220456623765:client:FIN_WAIT2:CLOSEts:2220456768765:server:LAST_ACK:CLOSEts:2282464966825:client:TIME_WAIT:CLOSE
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为什么 client 的 ESTABLISHED 在 server 的 SYN_RECV 前面？
事实上，我的测试内核版本是 6.1.11，它包含了这个 commit [https://github.com/torvalds/linux/commit/10feb428a5045d5eb18a5d755fbb8f0cc9645626], 及其系列 [https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/log/?qt=grep&q=TCP_NEW_SYN_RECV]。所以测试内核中 TCP_SYN_RECV 已经不是原始 TCP 协议中 server 收到第一个 syn 包的状态了，取而代之的是 TCP_NEW_SYN_RECV，TCP_SYN_RECV 本身主要被用于支持 fastopen 特性了。
既然这样，我们怎么还原协议中的状态呢？经过一番检索，发现了这个方法：inet_reqsk_alloc，该方法是内核收到第一个 syn 包后，为连接分配 struct request_sock 这个轻量级数据结构表征的地方，于是我们可以进行追踪：
SEC("fexit/inet_reqsk_alloc")int BPF_PROG(inet_reqsk_alloc,const struct request_sock_ops *ops, struct sock *sk_listener, bool attach_listener,struct request_sock *req ) { __u64 ts = bpf_ktime_get_boot_ns(); const struct sock_common skc1 = BPF_CORE_READ(sk_listener,__sk_common); const struct sock_common skc = BPF_CORE_READ(req,__req_common); const int family = BPF_CORE_READ(&skc,skc_family); if(family != AF_INET){ return 0; } const char oldstate = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_state)); const char newstate = (BPF_CORE_READ(&skc,skc_state));
__u32 dip = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_daddr)); __u16 dport = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_dport)); __u32 sip = (BPF_CORE_READ(&skc1,skc_rcv_saddr)); __u16 sport = bpf_htons(BPF_CORE_READ(&skc1,skc_num)); return judge_side(ctx,ts,(long long)req,dip, dport, sip, sport,oldstate,newstate);}
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后面三步握手完成，为连接建立 struct sock 重量级数据结构表征的地方：tcp_v4_syn_recv_sock->tcp_create_openreq_child->inet_csk_clone_lock。通过这个方法，我们可以将 inet_reqsk_alloc 中的状态转移和前文的 sock 关联起来：
SEC("fexit/inet_csk_clone_lock")int BPF_PROG(inet_csk_clone_lock,const struct sock *sk, const struct request_sock *req, const gfp_t priority,struct sock * newsk) { bpf_printk("csk_clone,lskaddr:%u,reqaddr:%u,skaddr:%u", sk,req,newsk); return 0;}
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这样就完整了。可以得到文章开始的图，是不是就符合我们预期了
后记
我们在本文再次感受到了 ebpf 的强大，以前只能手工画图帮助我们理解 tcp 状态转移，现在可以依靠丰富的技术手段把这个过程自动化，而且是真实场景，给到你非常直观的感受。
作者：九零后程序员
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