TCP#2: 西厢记和西厢计划

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》

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。

连接被重置

载入页面时到服务器的连接被重置

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 ）：

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

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：

                              +---------+ ---------\      active OPEN
                              |  CLOSED |            \    -----------
                              +---------+<---------\   \   create TCB
                                |     ^              \   \  snd SYN
                   passive OPEN |     |   CLOSE        \   \
                   ------------ |     | ----------       \   \
                    create TCB  |     | delete TCB         \   \
                                V     |                      \   \
                              +---------+            CLOSE    |    \
                              |  LISTEN |          ---------- |     |
                              +---------+          delete TCB |     |
                   rcv SYN      |     |     SEND              |     |
                  -----------   |     |    -------            |     V
 +---------+      snd SYN,ACK  /       \   snd SYN          +---------+
 |         |<-----------------           ------------------>|         |
 |   SYN   |                    rcv SYN                     |   SYN   |
 |   RCVD  |<-----------------------------------------------|   SENT  |
 |         |                    snd ACK                     |         |
 |         |------------------           -------------------|         |
 +---------+   rcv ACK of SYN  \       /  rcv SYN,ACK       +---------+
   |           --------------   |     |   -----------
   |                  x         |     |     snd ACK
   |                            V     V
   |  CLOSE                   +---------+
   | -------                  |  ESTAB  |
   | snd FIN                  +---------+
   |                   CLOSE    |     |    rcv FIN
   V                  -------   |     |    -------
 +---------+          snd FIN  /       \   snd ACK          +---------+
 |  FIN    |<-----------------           ------------------>|  CLOSE  |
 | WAIT-1  |------------------                              |   WAIT  |
 +---------+          rcv FIN  \                            +---------+
   | rcv ACK of FIN   -------   |                            CLOSE  |
   | --------------   snd ACK   |                           ------- |
   V        x                   V                           snd FIN V
 +---------+                  +---------+                   +---------+
 |FINWAIT-2|                  | CLOSING |                   | LAST-ACK|
 +---------+                  +---------+                   +---------+
   |                rcv ACK of FIN |                 rcv ACK of FIN |
   |  rcv FIN       -------------- |    Timeout=2MSL -------------- |
   |  -------              x       V    ------------        x       V
    \ snd ACK                 +---------+delete TCB         +---------+
     ------------------------>|TIME WAIT|------------------>| CLOSED  |
                              +---------+                   +---------+

                      TCP Connection State Diagram
                               Figure 6.

(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：

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

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”：

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]

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 ==

<delete>从此张生和崔莺莺过上了幸福的生活。</delete>

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

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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

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